傾斜煤層直角梯形巷道支護參數優化的數值模擬研究

李 昊，李婭琪，鄭鑫健

（華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201）

0 引 言

煤炭是我國最主要的能源，煤炭儲量雖然豐富，但儲煤地層狀況復雜多變。其中傾斜煤層開采難度大，巷道支護難度高[1]。相較于近水平煤層，傾斜煤層開挖巷道后的圍巖應力呈現出非對稱特征，嚴重影響了巷道的穩定性。針對這一情況，國內外學者對傾斜煤層巷道支護技術進行了大量研究。陳新年[2]針對傾斜煤層直角梯形巷道圍巖出現非對稱變形破壞問題給出了傾斜煤層直角梯形巷道圍巖應力的分布規律及破壞特征，并依次設計了合理的支護系統；沈攀[3]針對傾斜煤層巷道圍巖應力分布復雜等問題，對傾斜煤層直角梯形巷道支護技術進行了系統研究，并根據結果提出了具有針對性的非對稱支護方案；劉鵬[4]分析了巖層自重應力傾斜方向的分量和水平應力對巷道圍巖應力分布規律的影響，然后根據圍巖應力分布提出相應的支護措施；熊咸玉[5]采用理論分析、數值模擬計算、室內相似模擬試驗等方法對傾斜煤層直角梯形巷道圍巖應力非對稱分布特征進行研究，可為支護方案的選取提供科學依據；魏思祥[6]針對傾斜煤層巷道圍巖應力分布規律問題，建立了不同巖層傾角的數值計算模型，計算分析了傾斜煤層在動壓作用下的圍巖應力變化過程，通過對計算結果的分析得知，巖層傾角越大，不對稱系數越大；王鵬舉[7]研究表明傾斜煤層沿空掘進巷道圍巖呈明顯不對稱受力狀態及變形破壞特征，巷道斷面與巖層傾斜方向成鈍角的部位首先產生變形破壞，隨后產生連鎖反應，巷道的其他部位破壞，最后造成整個巷道破壞失效。顏景玉[8]為解決急傾斜厚煤層軟巖支護難題，通過調研分析、理論計算、數值模擬，提出采用“高強錨桿+高預緊力錨索+ 金屬網+W 鋼帶”做基本支護，特殊地點做加強支護，數值模擬和現場監測表明，該支護方案有效控制了巷道頂板及兩幫變形，支護一次到位。

本文在現有的支護技術上，以山西黃巖匯5 號傾斜煤層為工程背景，對5301 工作面的直角梯形回風巷道進行數值模擬研究，通過計算分析不同支護參數下的圍巖應力云圖，得出最優的支護方案，并依據施工后的礦壓觀測結果進行驗證，從而為相似的地形工作面直角梯形回風巷道施工，提供參考依據。

1 概 況

5301 工作面位于5 號煤層，埋深557 ～621 m，平均埋深為584 m；整體傾角27°～35°，平均傾角為29°，根據劃分屬于傾斜煤層。可采煤層煤質好，儲量大，有少許夾矸，厚度為5.24 ～6.61 m，平均厚度為5.53 m；老頂與老底以粉砂巖、中粒砂巖為主，直接頂與底板以泥巖為主。回風巷巷道斷面為直角梯形，設計凈寬為4 200 mm，低幫為3 000 mm。

2 不同支護參數的數值模擬結果

在考慮實際工程條件及簡化計算的基礎上，參考相關數值模擬的文獻[9-11]，采用FLAC3D 對5301直角梯形巷道不同支護參數進行數值模擬計算。本構模型選用Mohr-Coulomb 模型，模型尺寸為：長×寬×高=200 m×50 m×57.18 m。直角梯形巷道埋深為584 m，傾角為29°。具體模型巖層力學參數見表1。

表1 模型巖石力學參數Table 1 Mechanics parameters of model rock

2.1 錨索排布方式的數值模擬結果

為了分析錨索排布方式對圍巖應力產生的影響，使用FLAC3D 建立計算模型，分別對錨索呈“1-1-1”排布與“2-2-2”排布及“3-3-3”排布的模型進行數值計算，得出計算結果如圖1～圖3所示。

圖1 錨索呈“1-1-1”排布時的應力云圖Fig.1 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of'1-1-1'

圖2 錨索呈“2-2-2”排布時的應力云圖Fig.2 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of'2-2-2'

圖3 錨索呈“3-3-3”排布時的應力云圖Fig.3 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of'3-3-3'

如圖1 所示，當錨索呈“1-1-1”排布時，由垂直應力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應力在2～7 MPa，低幫側頂板出現明顯的高應力區，不利于巷道頂板的穩定，巷道兩幫的不平衡集中應力最大值為17.61 MPa，過高的集中應力會影響兩幫的穩定；同時由水平應力云圖可知，巷道高幫側頂板所受水平應力的最大值為18.04 MPa，且較大的高應力區明顯不利于頂板的穩定，嚴重可能導致冒頂事故。

如圖2 所示，當錨索呈“2-2-2”排布時，由垂直應力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應力在2～6 MPa，相比圖1（a） 低幫側頂板無明顯的高應力區，頂板范圍內受力完整連續，均勻的圍巖應力有利于頂板穩定，巷道兩幫的不平衡集中應力最大值為16.66 MPa，集中應力明顯下降有利于兩幫的穩定；由水平應力云圖可知，相比圖1（b） 巷道高幫側頂板所受水平應力最大值下降為17.41 MPa，但高應力區仍較大，不利于頂板的穩定。

如圖3 所示，當錨索呈“3-3-3”排布時，由垂直應力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應力在2～6 MPa，相比圖2（a） 頂板范圍內受力均勻區域進一步擴大，有利于頂板穩定。巷道兩幫的不平衡集中應力最大值為16.13 MPa，集中應力下降有利于兩幫的穩定；同時由水平應力云圖可知，相比圖2（b） 巷道高幫側頂板所受水平應力下降12～14 MPa，且高應力區明顯減小，有利于頂板的穩定。

根據圖1、圖2、圖3 可知，錨索呈“3-3-3”排布時，巷道圍巖相比錨索排布呈“1-1-1”、“2-2-2”排布時受力更加均勻，更利于巷道的穩定，方便后續施工及維護。

2.2 錨索角度的數值模擬結果

為了分析錨索角度對圍巖應力產生的影響，使用FLAC3D 建立計算模型，分別對錨索垂直底板時與錨索垂直頂板時的模型進行數值計算，得出計算結果如圖4、圖5 所示。

圖4 錨索垂直底板時的應力云圖Fig.4 The stress cloud diagram of anchor cable vertical floor

圖5 錨索垂直頂板時的應力云圖Fig.5 The stress cloud diagram of anchor cable vertical roof

如圖4 所示，當錨索垂直底板時，由垂直應力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應力在2 ～8 MPa，低幫側頂板出現明顯的高應力區，不利于巷道頂板的穩定，巷道兩幫的不平衡集中應力最大值為16.45 MPa，過高的集中應力會影響兩幫的穩定；同時由水平應力云圖可知，巷道高幫側頂板所受水平應力最大值為18.06 MPa，且較大的高應力區明顯不利于頂板的穩定，嚴重可能導致冒頂事故。

如圖5 所示，當錨索垂直頂板時，由垂直應力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應力在2 ～6 MPa，相比圖4（a） 頂板范圍內受力完整連續，均勻的圍巖應力有利于頂板穩定，巷道兩幫的不平衡集中應力最大值為16.01 MPa，集中應力下降有利于兩幫的穩定；同時由水平應力云圖可知，相比較圖4（b） 巷道高幫側頂板所受水平應力下降為12 ～16 MPa，且高應力區明顯減小，有利于頂板的穩定。

根據圖4、圖5 可知，錨索垂直頂板時，巷道圍巖相比錨索垂直底板時受力更加均勻，更利于巷道的穩定，方便后續施工及維護。

2.3 頂板錨桿數量的數值模擬結果

為了分析頂板錨桿數量對圍巖應力產生的影響，使用FLAC3D 建立計算模型，分別對頂板錨桿數量為4、5、6 時的模型進行數值計算，得出計算結果如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 頂板錨桿數量為4 時的應力云圖Fig.6 The stress cloud diagram with 4 roof bolts

圖7 頂板錨桿數量為5 時的應力云圖Fig.7 The stress cloud diagram with 6 roof bolts

圖8 頂板錨桿數量為6 時的應力云圖Fig.8 The stress cloud diagram with 6 roof bolts

由圖6 可知，當頂板錨桿數量為4 時，由垂直應力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應力在2 ～7 MPa，低幫側頂板出現明顯的高應力區，不利于巷道頂板的穩定，巷道兩幫的不平衡集中應力最大值為16.43 MPa，過高的集中應力會影響兩幫的穩定；同時由水平應力云圖可知，巷道高幫側頂板所受水平應力最大值為17.82 MPa，且較大的高應力區明顯不利于頂板的穩定。

由圖7 可知，當頂板錨桿數量為5 時，由垂直應力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應力在2 ～6 MPa，相比圖6（a） 低幫側頂板無明顯的高應力區，頂板范圍內受力完整連續，均勻的圍巖應力有利于頂板穩定。巷道兩幫的不平衡集中應力最大值為16.23 MPa，集中應力下降有利于兩幫的穩定；同時由水平應力云圖可知，相比圖6（b） 巷道高幫側頂板所受水平應力最大值下降為17.66 MPa，但高應力區仍較大，不利于頂板的穩定。

由圖8 可知，當頂板錨桿數量為6 時，由垂直應力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應力在2 ～6 MPa，相比圖7（a） 頂板范圍內低應力區域進一步擴大，有利于頂板穩定，巷道兩幫的不平衡集中應力最大值為16.21 MPa，集中應力下降有利于兩幫的穩定；同時由水平應力云圖可知，相比圖7（b） 巷道高幫側頂板所受水平應力下降為14 ～16 MPa，且高應力區明顯減小并遠離頂板，有利于頂板的穩定。

根據圖6、圖7、圖8 有以下結論：頂錨桿數量為6 時，巷道圍巖相比頂錨桿數量為4、5 時受力更加均勻，更利于巷道的穩定，方便后續施工及維護。

綜上所述，5301 直角梯形巷道的支護方案參數可優化為錨索呈“3-3-3”排布且垂直于頂板，頂錨桿數量為6。

3 工程應用

3.1 巷道支護方案

根據現場施工要求并參考類似方案[12-13]，5301工作面直角梯形巷道設計參數如下。

頂錨桿參數為φ24 mm×2 600 mm 左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，施工間排距為800 mm×800 mm，每排布置6 根錨桿。幫錨桿參數為φ24 mm×2 600 mm 左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，施工間排距為800 mm×800 mm，低幫每排布置4 根錨桿，高幫每排布置7 根錨桿。錨索采用φ17.8 mm×5 250 mm 高強度預應力鋼絞線，錨索施工間排距為800 mm×1 600 mm，每排布置3 根錨索。具體支護設計如圖9 所示。

圖9 5301 工作面直角梯形巷道支護示意Fig.9 Right angle trapezoidal roadway support in No.5301 Face

3.2 現場礦壓觀測

為驗證優化后支護系統對巷道圍巖的控制效果，選取巷道30 m 距離作為相應的觀測段，通過十字布點法安裝激光測距儀，對圍巖表面位移狀況進行觀測，根據現場礦壓觀測結果確定5301 工作面直角梯形巷道支護設計是否合理。巷道表面位移隨工作面推進距離變化如圖10 所示。

圖10 5301 工作面直角梯形巷道表面位移監測曲線Fig.10 Surface displacement monitoring curve of right angle trapezoidal roadway in No.5301 Face

由圖10 可知，在巷道開始推進后，頂板位移在0 ～70 m 時快速上升，在70 ～100 m 時趨于穩定，在100 m 處達到最大值78 mm 且趨于穩定；兩幫位移在0 ～60 m 時快速上升，在60 ～90 m 時趨于穩定，在90 m 處達到最大值61 mm 且趨于穩定。整體過程穩定，未出現冒頂片幫現象，且變形量處于允許范圍之內，說明優化后的支護系統可以合理有效的控制圍巖，實現安全高效的掘進作業。

4 結 論

（1） 根據數值模擬結果可以得出，當錨索呈“3-3-3”排布且垂直于巷道頂板時，可以有效控制圍巖，降低圍巖應力并消除高應力區，有利于直角梯形巷道的穩定。故優化后的錨索參數應為呈“3-3-3”排布與垂直巷道頂板。

（2） 當頂錨桿數量為6 時，可以有效控制圍巖，降低圍巖應力并消除高應力區，有利于直角梯形巷道的穩定。優化后的頂錨桿參數應為6 根。

（3） 將優化后的支護參數應用于實際施工，并通過現場礦壓觀測結果可知頂板最大位移為78 mm，幫最大位移為61 mm。變形量均處于允許范圍內，即優化后的直角梯形巷道支護參數是合理有效的。