巷道圍巖支護參數優化研究

姜志亮

（晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我國作為世界上人口最多的國家，煤炭資源的消耗量一直居高不下，據統計煤炭占我國一次能源消耗量的7 成左右，同時我國礦井多為井工開采，在煤炭資源的開采過程中會遇到較多問題。掘進和回采是影響煤礦安全生產的重要環節。我國大中型煤礦年掘進巷道總長度約為8 000 km，其中約有80%以上的巷道在煤層中掘進，由于巷道巖性較為軟弱，所以對巷道進行合理的支護十分重要[1-2]。在巷道支護過程中，當支護強度不足時，巷道圍巖變形很難得到有效控制，巷道開采安全得不到有效的保障，而支護強度過大時，此時雖然巷道圍巖的穩定性得到有效的保護，但會增大支護成本，降低礦山企業的經濟效益，所以確定支護的合理參數對巷道穩定性維護及企業經濟效益保護均有著至關重要的影響[3-4]。本文利用數值模擬軟件對不同錨桿支護參數下的支護效果進行分析，確定最佳支護參數，為礦井安全高效開采提供參考依據。

1 模型建立

某礦現主采煤層為6 號煤層，煤層的厚度為3.4～5.6 m，煤層平均厚度為4.2 m，煤層傾角為0～2°，為近水平煤層，煤層的偽頂由泥巖和炭質泥巖組成，偽頂的厚度在1～3 m，巷道直接頂為砂質泥巖和粉砂巖組成。粉砂巖、細砂巖組成巷道的老頂。巷道的底板偽底與偽頂巖層巖性類似。巷道直接底由粉砂巖組成。

為了對工作面支護方案進行設計，利用模擬軟件對支護參數進行模擬研究，首先進行模型的建立，根據礦井實際地質情況建立模型長、寬、高分別為285 m×300 m×200 m。對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時將靠近巷道位置的部分進行細化分，完成網格劃分，共計1 501 250 個單元及1 577 345 個節點。對模型進行約束設置，固定模型X、Y、Z 方向的垂直水平方向位移。在模型的頂端施加垂直均布荷載8.6 MPa。本文模擬螺紋錨桿密度為7 900 kg/m3，錨桿彈性模量為200 GPa。

2 模擬結果

首先對不同錨桿長度下巷道圍巖支護效果進行分析。

由圖1 可以看出，采用全長錨固時，當錨桿長度為1 900 mm 時，巷道支護頂錨桿和幫錨桿全部處于塑性區內，此時巷道支護方案難以發揮錨桿的支護能力，支護效果較差；當錨桿長度增大為2 200 mm 時，巷道幫錨桿的錨固段部分打入至巖石的穩定層內，此時錨桿具備一定的支護能力，而巷道頂錨桿則全部處于塑性區內；當錨桿長度增大至2 500 mm 時，此時巷道幫錨桿的錨固段打入穩定巖層中，頂錨桿處于塑性區內，頂錨桿的錨固段未進入穩定巖層中；當錨桿長度增大為2 800 mm 時，此時幫錨桿錨固段打入穩定巖層的長度進一步增大，而頂錨桿的錨固段未進入穩定巖層。所以在進行全長錨固時，必須將錨桿的長度設定超過2 200 mm。

圖1 不同錨桿長度下巷道圍巖塑性云圖

對全長錨固下不同錨桿間距下巷道圍巖變形進行研究，繪制不同錨桿間距下巷道圍巖變形曲線如下頁圖2 所示。

從圖2 可以看出，隨著錨桿間距的不斷減小，巷道兩幫移近量、頂板下沉量均呈現逐步降低的趨勢，而底鼓量呈現相反的趨勢。當錨桿的間距為750 mm時，此時巷道兩幫的移近量為192 mm，巷道頂板下沉量為112 mm，巷道的底鼓量為128 mm，而當錨桿的間距增大至850 mm 時，此時巷道兩幫的移近量為202 mm，巷道頂板下沉量為121 mm，巷道的底鼓量為121 mm。錨桿的間距增大至900 mm 時，此時巷道兩幫的移近量為206 mm，巷道頂板下沉量為123 mm，巷道的底鼓量為119 mm。當錨桿的間距增大至1 000 mm 時，此時巷道兩幫的移近量為260 mm，巷道頂板下沉量為136 mm，巷道的底鼓量為110 mm。綜合分析可知當錨桿的間距設定小于900 mm 時，此時繼續加密錨桿密度并不會取得較好的效果，巷道圍巖變形量變化幅度較小，而當錨桿間距大于900 mm時，此時降低錨桿間距能夠大幅度降低巷道變形量，所以考慮到安全及礦井經濟效益的情況下，選定全長錨固時錨桿間距為900 mm 最佳。

圖2 不同錨桿間距下巷道圍巖變形曲線

對全長錨固下不同錨桿排距下巷道圍巖變形進行研究，繪制不同錨桿排距下巷道圍巖變形曲線如圖3 所示。

圖3 不同錨桿排距下巷道圍巖變形曲線

如圖3 所示可以看出，隨著錨桿排距的不斷減小，巷道兩幫位移量、頂板下沉量均呈現逐步降低的趨勢，而底鼓量呈現相反的趨勢。在全長錨固條件下，當錨桿排距為900 mm 時，巷道兩幫的移近量為220 mm，巷道頂板下沉量為120 mm，巷道的底鼓量為90 mm，而當錨桿的排距小于900 mm 時，此時縮小排距，對于巷道整體變形量的作用較小，巷道圍巖的變化量均小于15 mm。當錨桿的排距設置大于900 mm 時，此時巷道變形量會快速增加，巷道的整體性無法得到保證，支護效果較差。所以在綜合考慮巷道圍巖各位置的圍巖變形因素，確定全長錨固時，巷道錨桿設置排距為900 mm 最佳。

根據上述模擬結果對巷道支護進行優化，在原有支護方案的基礎上對巖幫及頂板采用Φ20 mm×2 200 mm 的螺紋鋼錨桿進行支護，錨桿的間排距設定為900 mm、900 mm，每排8 根，8 根錨桿全部垂直于斷面進行布置，同時采用6 支K23/35 樹脂錨固劑進行錨固，設定巖幫及頂錨桿的扭矩不低150 N·m。在巷道煤幫支護選用Φ27 mm×2 200 mm 的玻璃鋼錨桿，錨桿的間排距設定為900 mm、900 mm，每排4根，錨桿均垂直于巷道斷面布置，同樣采用K23/35 樹脂錨固劑進行錨固，預緊扭矩大于150 N·m。巷道的頂錨索采用Φ18.9 mm×10 000 mm 礦用錨索，錨索間排距設定為1 800 mm、1 800 mm，錨索每排布置3 根，同樣采用K23/35 樹脂錨固劑，設定錨索預緊力180 kN。完成支護后對支護效果進行分析，監測頂板離層量如圖4 所示。

圖4 不同錨桿排距下巷道圍巖變形曲線

從圖4 可以看出，在距離工作面約85 m 時，此時巷道頂板的離層量突然增大，此時在頂板深度約5～10m 處，頂板離層量從40 mm 增大至45 mm。在距離頂板深度1.5～3 m 的位置，頂板離層量從32 mm 增大至38 mm。而在距離工作面20 m 位置時，此時頂板的離層量開始發生劇烈變化，在頂板深度5～10 m 處及1.5～3 m 處，巷道頂板的離層量最大值分別為110 mm 和70 mm。所以可以看出，工作面超前影響距離約為85m，同時在超前20 m 范圍內，影響較為劇烈。

3 結論

1）通過數值模擬軟件對不同錨桿長度下的巷道支護塑性變形進行分析，發現當錨桿長度不小于2 200 mm 時，巷道變形能夠得到較好的控制。

2）利用數值模擬軟件對不同間距及不同排距下巷道圍巖變形特征進行分析，確定最佳的間排距為900 mm、900 mm。

3）根據模擬結果設計了巷道的支護方案，經過驗證發現，巷道頂板變形得到較好的控制，同時支護后工作面超前影響距離約為85 m，在超前20 m 范圍內，影響較為劇烈。