220602 回風順槽支護優化及數值模擬研究

趙俊杰 武振國 胡亞軍

（國家能源集團寧夏煤業公司，寧夏 靈武 750410）

隨著煤礦開采深度不斷加大，軟巖巷道支護困難的問題長期困擾礦井正常生產接續[1]。國內外學者從軟巖巷道的變形特征[2]、影響因素[3]、數值模擬[4]、現場實測、支護技術[5]等方面進行研究，由于各礦工程條件復雜性和差異性，采用的支護技術也不相同。以石槽村煤礦220602 工作面回風順槽為背景，采用FLAC3D數值模擬分析現有支護方案支護效果，為類似巷道支護工程提供借鑒與參考。

1 工程背景

石槽村煤礦開采的220602 工作面所處煤層為井田內6 煤層，均煤4.9 m，平均垂深516.5 m。煤層結構簡單，屬穩定煤層。工作面范圍內上距2-2煤底板約140 m，下距10 煤頂板約40 m。煤巖層傾角2°～18°。220602 回風順槽為直墻半圓拱形斷面，掘進斷面積17.61 m2。巷道采用錨桿、錨索以及噴射混凝土聯合支護。如圖1。

圖1 原巷道支護斷面（mm）

2 現有支護方案模擬

2.1 應力分析

由圖2 可知，巷道左右幫的最大z向應力均為15.9 MPa，巷道的頂底板出現拉應力，頂板和底板壁的最大應力為0.5 MPa，遠離頂、底板壁的應力為5 MPa 左右。相對于原始地應力12.8 MPa 小很多，說明頂板發生較大應力釋放，出現松動圈。巷道底板的z向應力約為1.14 MPa，影響范圍約在底板以下2 m，比頂板應力釋放區大，易出現反拱。頂板壁的最大x向應力為2 MPa，底板壁的最大應力為1.7 MPa，兩幫的最大應力為5.7 MPa，對稱分布。

圖2 回風順槽應力分布云圖

2.2 位移分析

由圖3 可以看出，在支護狀態下，位移主要集中在巷道的頂底板且基本呈對稱分布，其中頂板最大下沉量107 mm，底板最大位移50 mm。隨著距離巷道中心距離的增加，位移量逐漸減小。水平方向位移集中在巷道兩幫，兩幫處的水平位移最大，均為69 mm，成對稱分布狀態，方向指向巷道。

圖3 回風順槽位移分布云圖

2.3 塑性區

由圖4 可以看出，開挖支護后巷道圍巖發生塑性變形，巷道圍巖破壞為剪切破壞。塑性區主要分布在兩幫和頂板處，巷道兩幫比頂板塑性區范圍大，頂板塑性區域約為0.5 m，兩幫塑性區約2.5 m。

圖4 回風順槽圍巖塑性區分布云圖

2.4 效果分析

現有支護體系下巷道頂板、兩幫的位移量、應力釋放和塑性區均較小，說明頂板支護強度滿足要求、幫部當前支護強度較弱。

3 優化方案模擬

3.1 支護理論驗算

1）錨桿長度L驗算

經計算得L=2.2 m，即拱部使用L=2.5 m 螺紋鋼錨桿能滿足支護要求。

2）錨桿間、排距計算

自然平衡拱理論分析設計錨桿間排距s計算公式為：

經計算得s≤1.13 m，即錨桿間排距應不大于1.1 m×1.1 m。

3）錨桿直徑d計算

經計算得d頂≥18.1 mm，即頂錨桿直徑應不小于18.1 mm。d幫≥18.17 mm，即幫錨桿直徑應不小于18.17 mm。

4）拱部錨索長度L 計算

經計算得L≥3.2 m，即根據巷道實際條件及礦方常用錨索長度應不小于3.2 m。

錨索數目N計算公式為：

計算得：N≥1.58，即需要2 根錨索，間距（弧長）不大于4 m。

錨索排距L計算公式為：

經計算得L≤4.03 m，即錨索間距不大于4 m。

5）根據普氏自然平衡拱理論確定幫部錨桿

錨桿長度L計算公式為：

計算得L≥1.8 m，即幫部錨桿長度應大于1.8 m。

3.2 優化支護方案一

優化支護方案一的支護參數為：頂板為長8300 mm、直徑為22 mm 的錨索，間排距為1600 mm（每排3 根）×2000 mm，加上長2500 mm、直徑為22 mm 的錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。兩幫為長2000 mm、直徑20 mm 的錨桿，間排距為800 mm×900 mm。經數值模擬得出，頂板z向最大位移為110.04 mm，底板的最大z向位移為54.762 mm，兩幫的z向位移在10 mm 左右。頂底板x向最大位移均為5～10 mm，左右幫的水平位移均為67.6 mm。

頂板和底板壁的最大z向應力為0.5 MPa，遠離頂、底板壁的z向應力為5 MPa 左右，兩幫的最大z向應力均為18 MPa。頂板壁的最大x向應力為3 MPa，底板壁的最大x向應力為1.5 MPa，遠離頂、底板壁的x向應力為4.5 MPa，兩幫的最大x向應力均為5.8 MPa。塑性區主要分布在頂板及兩幫，頂板兩拱角和兩幫均為剪切破壞，巷道底板為拉伸破壞，兩幫的塑性區范圍大致在5 m 左右，頂板兩拱角范圍在3 m 左右，底板在0.5 m 范圍內。

3.3 優化支護方案二

優化支護方案二的支護參數為：頂板為錨索長5300 mm、直徑22 mm，間排距1200 mm×1000 mm，幫部為錨桿長2500 mm、直徑20 mm，間排距800 mm×1000 mm。方案二模擬結果為，頂板的最大z向位移為110.24 mm，底板的最大z向位移為54.8 mm，兩幫的z向位移在10 mm 左右。頂底板的最大x向位移均為10 mm，兩幫的水平位移均為69.2 mm。頂板和底板壁的最大z向應力為0.44 MPa，遠離頂板壁的z向應力為7 MPa，遠離底板壁的z向應力為6 MPa，兩幫的最大z 向應力為17 MPa。頂底板壁的最大x向應力為1.59 MPa，遠離頂板的x向應力為4.5 MPa，遠離底板壁的x向應力為5 MPa，左幫的最大x向應力為5.79 MPa，右幫的最大x向應力為5.7 MPa。

塑性區主要分布在巷道頂板及兩幫，兩幫及頂板兩拱角為剪切破壞，底板為拉伸破壞。兩幫的塑性區范圍大致在5 m 左右，頂板兩拱角在3.5 m 范圍左右，底板在0.5 m 范圍內。

3.4 方案對比分析

3.4.1 頂板支護方案分析

根據對3 個方案的數值模擬計算對巷道頂板的應力、位移做出對比分析，結果見表1。

表1 回風順槽頂板優化方案及位移、應力統計

由表1 可知，改變錨桿長度、間排距對橫向應力沒有太大的影響，因此不再考慮水平應力的影響。與原支護相比，兩組優化支護方案的z向應力與位移均無較大變化。

3.4.2 兩幫支護方案優化分析

兩幫的支護優化方案及計算結果統計見表2。

表2 回風順槽兩幫優化方案及位移、應力統計

由表2 可知，左幫第1 組和第2 組的錨桿直徑不變，長度加長，錨桿間排距變小，水平位移變化不大，說明間排距、長度對兩幫橫向位移沒有較明顯的影響，查看兩幫的x向應力、z向應力，均沒有明顯的變化。

3.4.3 優化效果分析

綜上所述，在僅考慮頂板條件時，原支護的間排距設置過于保守。結合模擬結果，現場可適當增大支護間排距。在3 組方案的對比分析中，巷道的位移與應力均無明顯差異，因此可不將應力作為影響因素進行分析。綜合考慮支護材料用量，如表3所示，第1 組優化方案較原支護減少了12.6%，在保證巷道生產安全的情況下為最優方案。

表3 巷道優化支護方案材料用量對照組

4 結語

1）現有支護體系下巷道周圍多為壓應力，由中心向外數值逐漸增大，向巷道擠壓，應力釋放較多；巷道周圍均為剪切破壞，并且兩幫的受剪破壞區域較大。巷道頂板、兩幫的位移量、應力釋放和塑性區均較小，說明頂板支護強度滿足要求、幫部當前支護強度較弱。

2）兩組優化方案能節省大量的材料和支護費用且能實現與原支護相差不多的支護效果，綜合分析將第1 組方案定為最優方案。