破碎軟巖支護設計數值模擬研究

李 新

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業有限公司，山西 臨汾 041200）

伊田煤業由于巷道埋深較深，礦山壓力較大，且巷道圍巖較為破碎軟弱，圍巖變形劇烈，頂板圍巖管理難度較大。針對該礦井的地質條件，選用不同的支護方式進行數值模擬分析對比，從而確定合理的支護方案。

1 工程背景

伊田煤業主采2號煤層，煤層埋深640m，上距1號煤10.91～13.00m，煤層厚2.5～3.35m，平均2.98m，結構簡單，中下部含一層夾石，頂板為泥巖，底板為粉砂巖，屬全井田穩定可采煤層。

回采巷道斷面一般采用矩形斷面，寬4.0m，高3m，巷道布置在2號煤層中。

2 數值模型的建立及方案的確定

2.1 模型的建立

采用Mohr-Coulomb材料模型，巷道采用null單元模擬。巷道斷面為矩形，模型尺寸為100m×40m×68m。巷道埋深H取640m。巷道模擬計算所涉及到的圍巖巖層，均在實測巷道現場取樣。模型假設各巖層為均質、各向同性材料。模型邊界條件：采用笛卡爾三維坐標系，對模型的底部、左側、右側和前、后部設置法向約束邊界，對模型的上部邊界施加的作用視為均布荷載q，即上覆巖層的自重 。

2.2 方案的確定

考慮該礦實際條件，針對其巖層破碎軟弱的性質，確定了以下四種支護方案，分別為：

方案一：錨網支護方案。錨桿規格為高強螺紋鋼Φ20×2200mm，每個斷面內5根頂錨桿，距離巷幫400mm，均勻布置在巷道頂板，間排距為800×800mm；每個斷面內8根幫錨桿，布置于距離巷道頂板300mm、距離巷道底板300mm之間，錨桿水平布置，間排距為800×800mm。

方案二：錨網+頂板錨索支護方案。錨桿規格為高強螺紋鋼Φ20×2200mm，每個斷面內5根頂錨桿，距離巷幫400mm，均勻布置在巷道頂板，間排為800×800mm；每個斷面內8根幫錨桿，布置于距離巷道頂板300mm、距離巷道底板300mm之間，錨桿水平布置，間排距為800×800mm。錨索規格為Φ15.24×7000mm，為了增大支護強度，錨索采用隔排布置的形式，間排距為1600mm×1600mm。

方案三：錨網+頂板錨索+巷幫錨索支護方案。錨桿規格為高強螺紋鋼Φ20×2200mm，每個斷面內5根頂錨桿，距離巷幫400mm，均勻布置在巷道頂板，間排為800×800mm；每個斷面內8根幫錨桿，布置于距離巷道頂板300mm、距離巷道底板300mm之間，錨桿水平布置，間排距為800×800mm。錨索規格為Φ15.24×7000mm，頂錨索的間排距為1600mm×1600mm，幫錨索在巷幫中央布置，排距為1600mm。

方案四：錨網索+注漿支護方案。錨桿規格為高強螺紋鋼Φ20×2200mm,每個斷面內5根頂錨桿，距離巷幫400mm，均勻布置在巷道頂板，間排距為800×800mm；每個斷面內8根幫錨桿，布置于距離巷道頂板300mm、距離巷道底板300mm之間，錨桿水平布置，間排距為800×800mm。錨索規格為Φ15.24×7000mm，頂錨索的間排距為1600mm×1600mm，幫錨索在巷幫中央布置，排距為1600mm。注漿錨桿以1600mm×1600mm的間排距均勻布置在巷道頂板，抗拉強度250kN，封孔采用快硬水泥藥卷。

3 數值模型結果分析

3.1 破碎軟巖巷道不同支護方案圍巖應力特征分析

圖1 不同支護方案下巷道圍巖應力云圖

圖1（a）為錨網支護下的垂直應力云圖，由圖可知，錨網支護后，應力集中區域進一步向兩幫淺部轉移，巷道底板區域卸壓較為嚴重。圖1（b）為錨網+頂板錨索支護下的垂直應力云圖，由圖可知，通過錨索補強，使得頂板垂直應力卸壓范圍降低，底板卸壓深度也有一定的減小，支護效果比錨網支護更好。但是從垂直應力圖中同樣可以看出頂底板及巷幫圍巖的應力集中現象并沒有實質性的改變。圖1（c）為錨網+頂板錨索+巷幫錨索支護下的垂直應力云圖，由圖可知，加上巷幫錨桿以后，巷幫圍巖和頂底板圍巖的應力集中現象和采用錨網+頂板錨索支護的效果基本上相似。圖1（d）為錨網+頂板錨索+注漿支護條件下巷道圍巖應力云圖，由圖可知，錨網+頂板錨索+注漿支護彌補了錨網+頂板錨索支護對松散圍巖控制的不足，進行底板注漿支護后，兩幫卸壓區域基本消失，同時底板卸壓區域銳減，兩幫應力集中區域進一步向淺部轉移。

因此可以得知，通過采用錨網+頂板錨索支護配合頂板注漿支護，大范圍改善了巷道圍巖的力學特性，提高巷道圍巖尤其是底板的承載能力，使得巷道形成了穩定均一的承載圈。

3.2 不同支護方案圍巖變形特征分析

對不同支護方案的圍巖變形進行監測，不同支護條件下巷道圍巖頂底板及兩幫最大移近量匯總為表1。

分析發現，對巷道進行錨網支護后，巷道頂板下沉量為800.00mm，頂板下沉量控制了20.49%，但是效果依然達不到設計工作的需求，巷道變形仍然較為嚴重。

在錨網支護的基礎上進行頂板錨索補強支護以后，巷道頂板下沉量減小到了606.78mm，控制住了39.70%的移近量，支護效果明顯見效。

在錨網支護的基礎上進行頂板錨索補強支護以后，再在巷幫打一排錨索進行加強支護，頂板下沉量減小到了600.00mm，控制住了40.37%的移近量，支護效果明顯，但和采用錨網+頂板錨索支護的方式相比，頂板的下沉量僅多控制了0.67%，并且巷幫水平位移并沒有明顯的改善，所以巷幫錨索支護的效果不是很明顯。

在方案三的基礎上進一步加強支護，即對巷道頂板和巷幫進行注漿支護。巷道圍巖頂板下沉量減小到了280.97mm，控制了72.08%的下沉量。巷道圍巖進入穩定狀態后，巷道頂板最大變形2.39%，可見錨網+頂板錨索+注漿支護對控制巷道的變形非常有效，對于伊田煤業煤礦的特殊地質條件是較為有效的支護方案。

4 結論

以伊田煤業2號煤層破碎軟巖巷道為研究背景，運用數值模擬的方法，分別對4種支護方案進行模擬。模擬結果顯示，采用提高圍巖自身強度的錨注支護在提高圍巖自承載能力、控制巷道圍巖位移等方面均優于單純的錨桿支護和錨索支護，四種方案支護效果按從好到壞的順序為：錨網+頂板錨索+注漿支護＞錨網+頂板錨索+巷幫錨索支護＞錨網+頂板錨索支護＞錨網支護，因此選定“錨網+頂板錨索+注漿支護”方案為最佳支護方案。

表1 不同支護條件下巷道頂板下沉量表