動靜載荷疊加影響下的回采巷道支護參數優化

劉 寧

（山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041200）

1 概況

豹子溝礦41103 綜采工作面煤厚3.5～4.7 m，平均厚度4.0 m，直接頂為3.12 m 的泥巖，基本頂為11.88 m 的粉砂巖，底板為6.65 m 的鋁質泥巖。41103 綜采面與41104 綜采面相鄰，41104 綜采面已回采完畢，兩工作面之間留設55 m 的保護煤柱。41103 工作面運輸巷原始支護方案為：頂板采用Φ20 mm×2000 mm 錨桿，間排距700 mm×800 mm；幫部采用Φ18 mm×2000 mm 的錨桿支護，間排距800 mm×800 mm。41103 工作面回采期間受相鄰工作面動壓和本煤層采動影響，現有的普通錨桿及支護參數無法滿足生產要求，主要表現為：錨桿錨固力普遍不高，存在錨桿錨固失效情況，部分巷道頂底板最大相對移近量550 mm，經過多次返修，巷道圍巖變形仍然嚴重，工程量大，經濟效益低。

2 巷道圍巖穩定性分析

采用數值模擬軟件FLAC3D對41103 工作面巷道圍巖分別在靜壓和動壓條件下的穩定性進行分析[1-2]。數值計算采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則，變形模式為大變形。建立模型尺寸為長×寬×高=200 m×30 m×77 m，如圖1 所示，在模型上方施加覆巖重量對應的應力。

圖1 數值計算模型

1）靜壓條件下圍巖穩定性數值模擬結果

從圖2 和圖3 模擬結果可知，在靜壓條件下，41103 工作面運輸巷圍巖變形最大為底板的底鼓在58 mm 左右，其次是兩幫變形量在55 mm 左右，頂板下沉量為30 mm。根據圍巖位移分布曲線中拐點位置可知，在距巷道位置3 m 處位移突然變化，這與圍巖應力分布曲線中結果一致，在該位置為應力曲線峰值，在該范圍內應力隨距離的增加呈遞增趨勢，在3 m 之外，應力曲線逐漸遞減直到穩定，可以得出巷道圍巖變形主要在0～3 m 范圍內。

圖2 巷道圍巖位移分布

圖3 巷道圍巖應力分布

2）動壓條件巷道圍巖穩定性數值模擬結果

41103 工作面運輸巷圍巖不僅受本煤層開采時采動影響，也受相鄰工作面開采的影響，兩者影響的疊加為該巷道最終圍巖變形破壞情況。相鄰工作面41104 工作面覆巖下沉穩定過程中對41103 工作面運輸巷圍巖產生影響模擬如圖4。從數值模擬結果可知，頂底板、兩幫均發生不同程度的變形，尤其左右兩幫10 m 范圍內均發生了左移現象，最大移動量約110 mm。

圖4 巷道圍巖應力分布曲線圖

相鄰工作面和本工作面開采對巷道圍巖變形的影響一般為疊加的，巷道圍巖的垂直應力是相鄰工作面開采引起的側向支承壓力和超前支承壓力相互疊加，應變也對應為疊加[3-4]。從最終的模擬結果可知，由于靜壓和動壓共同作用下頂底板、兩幫相對移近量變形較大，頂底板相對移近量最大到達527 mm，頂板圍巖變形范圍超過10 m，兩幫相對移近量最大達到460 mm。

3 巷道圍巖支護設計研究

巷道支護設計的依據主要靠工程類比和理論計算等方法[5-6]。

工程類比法。要充分考慮巷道圍巖的穩定性，通過表1 巷道頂板錨桿基本支護形式與參數指導進行巷道支護參數選擇。根據41103 工作面運輸巷地質力學參數等現場測試，可判斷其為Ⅱ類穩定煤巷。

表1 巷道頂板錨桿基本支護形式與主要參數選擇

理論計算法。根據懸吊理論，錨桿長度可用以下公式（1）計算：

式中：L為錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度，一般取0.15 m；L2為錨桿有效長度，不小于不穩定巖層的厚度，m；L3為錨桿錨固長度，端部錨固一般取0.3～0.4 m。

頂板錨桿直徑的選擇根據其錨固力的大小，錨固力大小可根據以下公式（2）求得：

式中：Q為錨桿錨固力，MN；K為安全系數，一般取1.5～2 m；a1、a2為錨桿間排距，m；γ為不穩定巖層平均重力密度，MN/m3。

頂板錨桿間排距可根據以下公式（3）求得：

根據實測數據可最終求得：頂板錨桿長度不小于2.25 m，頂板錨桿直徑18.2～21 mm，頂板錨桿間距700 mm。

幫部錨桿支護參數根據自然平衡拱理論計算可得，錨桿長度為3 m，間排距為700 mm。錨索長度的確定應與錨桿支護形成的預應力承載結構與深部圍巖相連，錨固在內部穩定巖層中，可計算為長7100 mm，直徑18.9 mm，間距1350 mm，排距800 mm。

結合礦井現場實際地質條件，設計巷道采用錨網索支護，具體支護方案如下：頂板錨桿采用Φ20 mm×2300 mm 高強度螺紋鋼錨桿，錨索采用規格為Φ18.9 mm×7100 mm，錨桿布置的間距和排距分別為700 mm、800 mm，錨索間距為1350 mm，排距為700 mm，配套150 mm×150 mm×10 mm 的鼓形托板；兩幫采用Φ20 mm×3000 mm 高強度螺紋鋼錨桿，間距和排距均為800 mm；采用K2350和Z2350 兩種樹脂錨固劑進行錨固。支護設計圖如圖5。

圖5 41103 工作面運輸巷支護參數（mm）

4 支護效果分析

現場施工后，布置測站對巷道圍巖的深部位移、巷道表面位移以及錨桿（索）受力情況進行監測，測站15 個，每個測站間隔20 m，部分結果如圖6。現場監測結果表明：1）巷道圍巖表面變形情況。采用“十”字交叉法布置的測點進行圍巖變形監測，可知兩幫累計移近量最大16 mm，頂底板相對移近量最大32 mm。2）圍巖深部位移監測結果及頂板離層分析。測站所在位置深部圍巖位移量隨著工作面推進呈增大趨勢，但位移量均較小，深基點最大離層為20 mm。3）錨桿（索）受力情況。錨桿（索）受力監測可知，兩幫錨桿（索）受力主要受拉應力，頂部大多數受力為壓應力，所有的錨桿（索）受的軸力處于最大屈服載荷以下，說明所選擇的錨桿（索）桿體強度滿足要求。

圖6 1#深基點位移計觀測結果圖

5 結論

41103 工作面運輸巷回采期間，不僅受到本工作面回采的影響，還受到相鄰工作面回采后的影響，回采巷道變形嚴重。采用理論分析、數值模擬分別研究了靜壓、動壓對巷道的影響，根據工程類比經驗提出高強度螺紋鋼錨網索支護技術，并應用于現場。通過現場監測，新支護技術很好地控制了圍巖變形，杜絕了巷道返修，為相似回采條件的巷道支護提供寶貴的經驗。