孤島工作面沿空巷道錨固體結構對巷道的影響

馬占元

（太原理工大學，山西 太原 030024）

同煤集團晉華宮礦煤巷支護主要采用錨桿支護，部分條件不好的區段也采用了工字鋼架棚支護，但生產實踐表明，原有的支護參數不盡合理，對錨固體結構對巷道的影響認識不足，沒有充分發揮原錨桿的作用，這樣不但增加了巷道支護的直接成本，影響了巷道的掘進進尺。因此，研究煤巷錨桿與圍巖的作用關系、認識錨固體結構對巷道的影響已成為本煤礦煤巷支護改革的關鍵問題。本文以同煤集團晉華宮某孤島工作面為例，對錨桿支護后的巷道進行了支護效果模擬，利用壓力拱理論對支護效果與錨桿與圍巖的作用關系進行了討論分析。

1 工作面沿空巷道維護特點

晉華宮礦某工作面與臨近采空采空區距離較近，煤柱留設小，結合其它實體煤巷現在的錨桿支護實踐，認為該巷道在維護過程中具有以下顯著的特點：

1）巷道所處的外部力學環境相對有利。由于巷道兩側為采空區，因此本巷道基本上處于采空區的應力降低區中，這對巷道維護是有利的。

2）巷道圍巖相對更加破碎。受臨近工作面開采影響，巷道圍巖在一定范圍內的巖體會出現不同程度的破壞，這增加了巷道頂板維護的難度。

3）兩幫煤體的維護難度較大。尤其是煤柱側的巷道由于臨近工作面的開采，煤柱將承受較大的應力，容易破碎，是造成巷道較大變形的隱患。

2 錨桿支護保持巷道圍巖錨固結構穩定的實質

壓力拱作為一種承載結構，其穩定性取決于兩個方面，第一是圍巖所處的力學環境，第二是圍巖自身的強度。圍巖所處的力學環境是在地下工程開挖之后圍巖自發形成的，很難改變，而錨桿支護實質是通過改變圍巖自身的承載能力，使得巷道壓力拱結構更加穩定。所以說，巷道結構的穩定性取決于錨桿對圍巖強度強化的程度，錨桿對圍巖強化程度越高，圍巖結構越穩定。

一般而言，煤體強度比較低，軟弱易破碎，錨桿的作用范圍一般處在圍巖的塑性區域與破碎區域，從錨桿支護強度的角度來解釋錨桿支護的實質，可以概括為以下兩個方面：

第一、處于峰后殘余強度中的巖體對于支護的反應程度是相當靈敏的，而錨桿的錨固范圍一般處在這個區域內，因此，哪怕是微小的支護強度的增加，圍巖的殘余強度與極限強度都會得到很大的提升。所以，對于處在峰后殘余強度中的錨桿來說，錨桿實質是通過有效的提高錨固區內的圍巖的殘余強度與極限強度來控制圍巖的變形破壞。

第二、從圍巖自身力學性質來說，較高的錨桿支護密度，相當于提高了圍巖的彈性模量E、粘聚力C 和內摩擦角Φ，所以，提高錨桿的支護密度即相當于提高支護強度，錨桿與圍巖共同組成的巷道圍巖小結構的穩定性也得到了提高〔35〕。

所以，錨桿支護的實質其實是兩個方面，一是合理的預緊力提高了破碎區圍巖的殘余強度和極限強度，二是較高的支護強度提高了巷道圍巖自身小結構的穩定性。

3 錨固體結構的數值模擬

1）錨桿及錨索支護參數的確定

針對該巷道實體煤巷道的維護特點，通過懸吊理論計算，并結合本區的情況，錨索間距確定為1600mm，對該孤島工作面兩巷的錨桿支護參數進行了計算，最終確定錨桿長度為3m，間排距為700mm×700mm，巷道錨桿支護斷面見圖1。

圖1 巷道支護斷面

2）邊界條件及力學參數的確定

模型計算時，前后固定y方向位移，左右固定x方向位移，底部為全約束。模型頂部施加垂直荷載，其值根據模型之上的巖層厚度由公式σ=γh計算得出。計算模型的力學邊界條件見圖2。

圖2 邊界條件

各巖層物理及節理力學參數如表1所示。

表1 煤巖物理力學參數

3）模擬結果分析

在此基礎上，利用FLAC3D對錨桿支護后的巷道進行了支護效果模擬，孤島面沿空巷道錨桿支護模型的建立過程為，在臨近各工作面依照順序依次開挖計算后，將兩巷一次掘進完成，打入錨桿后再開始計算平衡狀態。錨桿長度及間排距參照圖1。在計算完成后，記錄錨桿支護后巷道截面的水平應力云圖，切向應力云圖及垂直應力云圖，根據應力分析法，可以分別確定出支護后巷道截面壓力拱拱結構的拱頂點、拱腰點和拱座的關鍵點，將各圖結果繪于同一圖中后，可得錨桿支護后的巷道圍巖壓力拱結構（見圖3）。

圖3 支護后的巷道壓力拱形態

由以上利用壓力拱結構的應力分析法確定出的有錨桿支護的巷道壓力拱的結構形態，對比支護前的巷道壓力拱結構，各關鍵點位置情況見表2。以下分別從拱頂，左半拱及右半拱三個方面對支護前后壓力拱結構的變化情況進行分析。

（1）拱頂，支護前孤島工作面下風巷的巷道圍巖壓力拱的拱頂位置在10.1m 處的老頂上部，在打入錨桿后，拱頂高度下降至距巷道底板8.1m 的位置，位于老頂中部，其高度相對于支護前減小了2.0m。

（2）左半拱位于煤柱側，該側拱拱座處外邊界支護前距巷道幫部的距離為2.9m，在支護后，其位置向巷道外側移動了0.2m 的距離。對于左半拱拱座處的內邊界線位置而言，支護前其位置距巷道內幫的距離為1.1 m，支護后，其位置向巷道內側移動了0.2 m 的距離。可以看出，支護后，巷道圍巖中的壓力拱內邊界內縮，外邊界外擴，拱帶寬度變厚了，與支護前的最大拱帶寬度1.8m 相比，支護后，最大拱帶寬度達到了2.2m。此時的壓力拱左半拱結構承載能力加大，穩定性變強。

（3）對于支護前的壓力拱的右半拱，其工作處外邊界線的位置距巷道幫部距離為9.7m，錨桿支護后，該關鍵點位置也有向巷道外側移動的趨勢，但移動幅度較左側而言更加明顯，支護后的巷道壓力拱右半拱的外邊界線距巷道幫部的距離為8.1m 增加了1.6m 的距離。其內邊界與左半拱近似，在支護前的位置距巷道右幫的距離約為7.2 m，支護后也有向內收縮的趨勢，但其向內移動距離值為1.8m。

以上數值模擬可知，錨桿支護后，新壓力拱的各關鍵點位置朝著拱高降低，拱帶厚度增加，拱體向巷道內側收縮的有利狀態變化。這說明在錨桿支護，壓力拱結構更加穩定了，圍巖的自身承能力增強。

4 結語

1）錨桿與圍巖的作用關系包括兩個方面，一是提供高阻力以保證淺部圍巖的破碎向深部轉移的速度減慢；二是與對圍巖變形讓壓，這是錨桿與圍巖共同組成的巷道結構能否長期有效的穩定的關鍵。

2）對圍巖變形提供高阻力，錨桿合理的預緊力是錨桿支護能否有效的抑制圍巖淺部破碎巖體向圍巖深部移近的關鍵，同時也是保證錨桿作為一種主動支護方式的前提條件。

3）在預緊力允許范圍內，實現對圍巖一定讓壓，是錨桿支護能否長期有效支護住圍巖的關鍵，在預緊力允許范圍之內的讓壓，是巷道錨桿支護能發揮其支護作用的重要保障。

4）通過數值模擬的方法確定了巷道錨桿支護后的巷道圍巖結構的形態，支護后的巷道圍巖結構各關鍵點的位置均朝著使得拱結構更加穩定的方向變化，圍巖的自身承載力增強。

5）分析了沿空掘巷圍巖穩定的基本原理，沿空巷道的穩定取決于圍巖錨固體小結構與巷道上覆巖體大結構之間的相互作用關系，圍巖小結構的穩定是保持沿空掘巷穩定的根本。

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