曙光煤礦1212大斷面煤巷支護技術模擬研究

李洪賓 薛華俊* 梁 斌 何天宇 李濤濤

(1.曙光煤業有限責任公司，山西呂梁 032308;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

1 工程概況

曙光煤礦1212工作面屬于二迭系下統山西組2號煤層，煤層厚度平均為2.5 m，偽頂為泥質頁巖，厚0.4 m，中間夾二層矸石，煤層結構為 0.86(0.59)0.13(0.12)0.8，煤層傾角為 0°～ 10°，該煤呈塊狀，半亮形煤，穩定可采。1212運輸巷道斷面為矩形，巷道寬5 m，高3 m，斷面積為15 m2，屬于大斷面煤巷，巷道支護困難，所以曙光煤礦1212運輸巷安全快速掘進與支護，是保證曙光煤礦安全高效生產的重要保障。

2 支護模型建立

為使曙光煤礦1212運輸巷支護方案安全與經濟，這里采用FLAC3D數值模擬軟件對1212運輸巷支護方案進行優化研究。模擬巷道斷面為矩形，寬5 m，高3 m。巷道模型寬度取55 m，巷道寬度方向取5倍巷道寬度的距離;高度方面，根據巷道頂底板巖層的層數和各巖層的厚度，巷道頂板巖層取14.8 m，底板取12.9 m，即高度取30.7 m;對巷道走向沒有具體要求，為考慮模擬過程考察錨桿間排距對支護效果的影響，取20 m，因此模型的尺寸為55 m×30.7 m×20 m。模型共包含14個巖層。模型單元劃分如圖1所示［1-4］。

圖1 曙光煤礦1212運輸巷FLAC3D模型

3 支護方案模擬研究

在特定的客觀條件下，錨桿支護效果與錨桿長度、錨桿直徑、錨桿間排距、鋼帶和金屬網聯合支護、錨索長度等多個因素有關。這里主要考察錨桿長度、間排距、錨索對支護效果的影響。

3.1 錨桿長度分析

采用單因素考察法，其他支護參數相同，改變錨桿長度，考察巷道圍巖變形和應力分布情況。頂板采用直徑22 mm的左旋高強螺紋鋼錨桿，配合錨索、鋼帶和金屬網;兩幫采用直徑16 mm的A3圓鋼錨桿，配合鋼帶和金屬網，頂板和兩幫錨桿間排距均取900 mm×1 000 mm。根據工程類比法提出的支護參數，具體模擬方案見表1。

表1 錨桿長度分析模擬方案 m

模擬結果顯示，巷道圍巖位移云圖分布規律相似。水平位移主要出現在兩幫，并且最大應力位于巷道兩幫中部靠上的位置。垂直位移主要存在于巷道頂板和底板，巷道頂板下沉量最大位置位于頂板中部，且頂板下沉量大于底鼓量，說明圍巖自重應力對圍巖變形影響較大。方案一的圍巖位移云圖如圖2所示。

圖2 方案一巷道圍巖位移云圖

為了考察不同錨桿長度對支護效果的影響，對各方案的巷道兩幫圍巖最大水平位移和頂底板的最大垂直位移進行了統計，如表2所示。可以看出，隨著錨桿長度的增加，兩幫移近量先是呈線性下降，錨桿長度大于2.6 m之后不再有明顯的變化。因此，兩幫錨桿的長度以不超過2.6 m為宜。隨著錨桿長度的增加，頂板下沉量也是先呈線性下降，錨桿長度大于2.4 m之后不再有明顯變化，因此，頂板錨桿長度以不超過2.4 m為宜。

表2 不同錨桿長度下圍巖最大變形量 mm

通過上述分析可知，單純增加錨桿長度對控制巷道圍巖變形有一定的作用，但當錨桿達到一定長度之后，圍巖最大變形量不再有明顯的變化。

3.2 錨桿間排距分析

根據巷道斷面尺寸，模擬了巷道頂板和兩幫錨桿不同間排距的9種方案，具體參數見表3。

表3 錨桿間排距模擬方案

根據模擬結果統計了9種方案下巷道圍巖的最大水平位移量和最大垂直位移量，如表4所示。隨著錨桿間排距的增大，巷道兩幫和頂板的最大位移量都有所增大，但變化不大，巷道底鼓量基本不變。因此，從控制巷道最大變形量的角度出發，單純增加錨桿間排距意義不大。

表4 不同錨桿間排距下巷道最大位移量 mm

圖3和圖4分別為方案1和方案9的巷道圍巖水平位移云圖和垂直位移云圖。不同錨桿間排距下圍巖的位移云圖分布規律是相同的，最大位移量都出現在巷道兩幫的中間或頂底板中間。從表4的統計數據可知，減小錨桿間排距對控制巷道圍巖的最大位移量有限，但從圍巖位移云圖中可以看出，在一定深度的圍巖內，位移量可相差10 mm，這在實際巷道支護中是重要的。模擬的巷道圍巖是均質的連續體，且不能模擬斷裂和脫落等情況，和實際巖體有很大區別。實際支護中表面圍巖變形后如不采取相應措施會脫落或斷裂，繼而導致圍巖變形不斷向深部發展，不利于保持圍巖穩定性。因此，保證一定的錨桿間排距對維持巷道圍巖穩定性有重要作用。

圖3 不同間排距下的圍巖水平位移云圖

圖4 不同間排距下的圍巖垂直位移云圖

3.3 錨索作用分析

為考察錨索長度對支護效果的影響，在錨索間排距為3 000 mm×950 mm條件下，分別模擬錨索長度為5 m，6 m，7 m，8 m，9 m五種長度。

統計五種錨索長度下巷道圍巖最大水平位移量和垂直位移量，如表5所示。圍巖最大位移量基本沒有變化，由此說明，在錨桿+鋼帶聯合支護作用下，增加錨索或增加錨索長度對控制圍巖最大位移量沒有效果。圖5和圖6為錨索長5 m和錨索長9 m情況下圍巖水平位移云圖和垂直位移云圖，位移分布和位移量幾乎完全一致。

表5 不同錨索長度下巷道圍巖最大位移量 mm

圖5 不同錨索長度下圍巖水平位移云圖

圖6 不同錨索長度下圍巖垂直位移云圖

增加錨索以后圍巖位移基本沒有改變是受多個因素影響的。因為模擬中的材料是均質的且不能產生離層，錨索的作用不能夠得到有效發揮;另外，錨桿和鋼帶聯合支護已經把圍巖位移和應力狀態控制在良好的水平，錨索的作用也在一定程度上受限制不能發揮。在實際支護過程中，錨索的主要作用是補強支護，防止淺部圍巖離層產生冒頂，起到預防事故的作用。錨索的長度只需要滿足把錨桿支護體系懸吊于上部穩定巖層的條件即可。

4 結語

1)通過對6種不同長度的錨桿的FLAC模擬分析，得出錨桿長度越長，巷道的兩幫移近、頂板底板移近也越小，通過比較頂板錨桿長度為2.4 m，兩幫錨桿長度為2.2 m(方案4)時，圍巖最大變形量比較穩定，再增加錨桿長度，圍巖變形量不再有明顯的變化。2)通過對9種相同長度，不同間排距的錨桿的FLAC模擬分析，得出改變錨桿的間排距對巷道圍巖應力分布和最大位移量的影響有限，但保證一定的錨桿間排距對維持巷道圍巖穩定性有重要作用。3)增加錨索以后圍巖位移和應力狀態雖然基本沒有什么變化，但是錨索對補強支護和預防冒頂事故有著非常積極的作用。

［1］薛華俊，宋建成，李中州，等.深井巖巷掘進中的圍巖應力場的數值分析［J］.中國礦業，2013，22(5):83-87.

［2］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［3］王茂源，薛華俊，白曉生，等.基于FLAC3D的煤巷支護方案優化及應用［J］.中國煤炭，2012，38(9):40-42.

［4］何滿潮.軟巖巷道工程概論［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1993.