馬蘭礦10607底抽巷支護方案及數值模擬研究

郭 坦，魏永輝

(1.西山煤電(集團)有限責任公司技術中心,山西 太原 030000；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

0 引言

煤炭作為重要的戰略資源，一直存在著較高的經濟價值。我國資源稟賦的特點是富煤、貧油、少氣，煤礦資源的儲存量占據化石能源總量的90%以上，已探明的煤炭儲量占世界煤炭儲量的33.8%；而年產量方面，我國2021年原煤總產量是407 136萬t(約40.71億t)，煤炭產量位居世界第一，占比達59.31%。在2021年一次能源結構中，煤炭消費量占能源消費總量的56.0%，說明煤炭在我國能源消費中仍占據著主導地位[1-2]。

隨著近些年煤礦開采深度的逐漸增大，水文地質條件越加復雜，礦壓顯現劇烈，水滲透壓增高，煤礦開采難度驟增。在高應力、高滲透壓、地質構造、巖石礦物組成等因素的影響下，圍巖節理裂隙發育、松散破碎、變形強烈、破壞范圍大，安全問題日益突出。而煤炭資源開采難度的增加主要在于煤礦巷道支護難度的增加，巷道是煤礦開采工藝系統的核心部分，是礦井開采、運輸和保證煤礦安全生產的重要通道，實際煤礦現場條件復雜多變，巷道支護難度逐漸加大，科學合理的巷道支護理論、技術、參數設計是保證煤礦安全、經濟、高效采出煤炭資源的根本。

1 工程概況

10607底抽巷所掘煤層為二疊系下統山西組2號煤層，沿2號煤跟頂破底掘進，巷道坡度4°～10°，平均5.5°。10607底抽巷總工程量786 m，采用矩形斷面，巷道設計凈寬4.2 m，設計凈高2.6 m。煤層頂底板情況如表1所示。

表1 10607底抽巷煤層頂底板情況表

10607底抽巷用于02號煤層的10607,10605工作面以及同煤層鄰近工作面的瓦斯抽采，并計劃在經歷多工作面回采動壓后作2號煤層工作面回采巷道，實現一巷多用，因此保留該巷道并增加巷道支護強度是亟待解決的難題。巷道布置位置如圖1所示。

2 巷道支護方案的確定

本文以10607底抽巷為研究對象，針對現場工程概況并結合巷道變形破壞機理，對該巷道進行錨桿錨索聯合支護設計。利用錨桿錨索聯合支護來提高巷道圍巖的承載能力，減小巷道頂底板位移和兩幫移進量，降低巷道幫角等位置剪切破壞的程度。

支護方案可設計為：頂板采用“螺紋鋼錨桿+金屬菱形網+鋼筋鋼帶+錨索+蝶形壓制托盤”聯合支護，兩幫采用“螺紋鋼錨桿+W托盤+金屬菱形網”聯合支護。

2.1 錨桿參數的確定

根據10607底抽巷煤巖層參數，通過理論計算并采用工程類比法校核[3-4]，可確定錨桿規格：長度為2 000 mm、直徑為20 mm。頂錨桿間排距950 mm×1 000 mm，每排5根；幫錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，每排2根，“矩形”布置，上側幫錨桿距頂板400 mm。錨桿螺母外露錨桿絲扣10 mm～50 mm之間。

2.2 錨索參數的確定

同理可確定錨索規格：長度為5 200 mm、直徑為21.6 mm。錨索間排距間1 500 mm×2 000 mm，錨索不占錨桿位置，布置在兩排鋼帶中間，每排2根。錨索必須錨固在穩定巖層中，如不能有效錨固時，及時調整錨索規格。錨索露出鎖具150 mm～250 mm。

綜上所述，針對10607底抽巷錨桿錨索支護參數所確定的支護設計圖如圖2所示。

3 數值模擬分析

為驗證錨桿錨索聯合支護對10607底抽巷圍巖的控制效果，本文基于FLAC3D軟件建立煤巖層和巷道模型，并根據數值模擬結果對巷道支護前后圍巖位移和塑性區狀態進行對比分析。

3.1 模型的建立

模型尺寸為x×y×z=100 m×50 m×16.8 m，生成的初始模型如圖3所示。在模型左右邊界限制節點的x方向水平位移，在模型前后邊界限制節點的y向水平位移；在模型底部限制節點的x,y,z方向的全部位移；頂部為應力邊界，按照巷道埋深模擬上覆巖層的重力，將均布荷載p=(0.025×H)MPa施加在模型上表面。

馬蘭礦2號煤層埋深400 m左右，在模型上部邊界施加10 MPa垂直向下的均布荷載。計算時采用摩爾-庫侖強度準則。

3.2 模擬結果分析

錨桿錨索聯合支護對巷道圍巖穩定性的控制效果最直觀的體現為巷道變形和塑性區分布規律的變化。本次數值模擬主要對10607底抽巷位移和圍巖塑性區進行分析。

3.2.1 10607底抽巷位移分布規律

如圖4，圖5所示分別為無支護和錨桿錨索聯合支護條件下10607底抽巷垂直和水平位移分布規律。由圖4,圖5可知，與無支護條件的巷道相比，在錨桿錨索聯合支護下巷道圍巖位移量均有減小，支護條件下巷道頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量分別比無支護時減小4.4 mm,0.1 mm,4.6 mm。

10607底抽巷在采用錨桿錨索聯合支護方案后圍巖變形量相對原支護均有減小，說明該支護方案能夠增加頂板與兩幫支護強度，減小圍巖的剪切滑移并提高兩幫對頂底板的支撐作用，并能夠提升巷道的穩定性。

3.2.2 10607底抽巷塑性區分布規律

如圖6所示分別為無支護和錨桿錨索聯合支護條件下10607底抽巷塑性區分布規律。由圖6可知，與無支護條件下相比，在錨桿錨索聯合支護條件下巷道頂板圍巖中塑性區分布和兩幫圍巖中塑性區分布均有了明顯的減小，說明該支護方案能夠降低巷道肩角和底角中的塑性區分布范圍，提高巷道的穩定性。

綜上所述，錨桿錨索聯合支護能夠提高巷道圍巖的抗剪能力和穩定性，減弱因巷道開挖造成的變形破壞，并降低巷道圍巖中的應力卸載程度，使得變形破壞分布范圍更小。

4 結論

1)根據10607底抽巷工作面的參數，確定錨桿錨索聯合支護方案。巷道頂板采用“螺紋鋼錨桿+金屬菱形網+鋼筋鋼帶+錨索+蝶形壓制托盤”聯合支護，兩幫采用“螺紋鋼錨桿+W托盤+金屬菱形網”聯合支護。其中錨桿規格為φ20×2 000 mm，錨索規格為φ21.6×5 200 mm。

2)基于FLAC3D數值模擬分析可知：10607底抽巷采用錨桿錨索聯合支護后，頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量均有減小，圍巖塑性區分布范圍也得到了有效控制，該方案能夠滿足實際生產的需求。