盤區巷道合理支護選型研究

李恒信

（山西大同同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

隨著開采深度的不斷增加，巷道圍巖逐漸顯現出壓力大、變形量大、難于維護的特點[1-4]。針對深部回采巷道所表現出的明顯大變形、流變特性、高地應力等特征，目前雖多采用錨桿錨索網聯合支護，但支護效果各有不同，支護效果的優劣取決于特定環境下具有針對性的最優支護方案。回采巷道在礦井生產中量大，服務年限相對較短，近年來斷面逐漸加大且受采動影響大，如何維持回采巷道在生產期間的穩定性，關系到礦井安全生產和經濟效益。本文以晉華宮煤礦為工程背景，運用數值模擬對不同支護方式及支護參數進行了研究，研究成果為類似條件下巷道支護提供了一定的參考。

1 巷道概況

9#層301盤區皮帶巷延伸巷道設計為矩形斷面，寬×高=4.5m×2.7m。巷道沿9#煤層頂板起底的方式掘進，走向長度390.5m，平均煤厚1.4m。掘進時，巷道北幫與原皮帶巷道北幫對齊，巷道縮南幫掘進，方位角270°。掘進時擬采用錨桿、錨索配合W型鋼帶聯合支護頂板，護幫采用錨桿W型鋼帶支護；采用滑移式前探梁臨時支護，前探梁與工作面頂板之間采用1.2m長板皮接頂，空隙處用木楔背牢。

2 數值模擬

數值模擬方案主要針對錨桿-錨索聯合支護和錨索桁架、錨桿共同支護兩個方案。

2.1 錨桿-錨索聯合支護

巷道錨桿、錨索聯合支護方案采用大直徑、高強度錨桿(索)聯合支護，支護布置如圖1所示。錨桿形式和規格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為 BHRB500，長度 2.0m，桿尾螺紋為M24，螺紋長度 100mm。錨桿鉆孔直徑為 30mm。

錨桿布置：錨桿排距1000mm，每排布置15根錨桿。錨桿間距 1000mm(頂板)、900mm(兩幫)。

錨桿角度：角錨桿和幫錨桿與巷道壁面呈15°打設，其余全部垂直巷道壁面打設。

錨固方式：樹脂端部錨固，采用兩支低粘度錨固劑，一支規格為 K2550，另一支規格為 M2575，錨固長度為 500mm。錨桿預緊力80kN。

錨索布置：頂板錨索間距3000mm，排距800mm，幫部錨索間距2700mm，排距800mm。

圖1 錨桿、錨索聯合支護方案（mm）

2.2 預應力錨索桁架、錨桿聯合支護

巷道錨索桁架、錨桿聯合支護方案采用大直徑、高強度錨桿(索)聯合支護，錨桿、錨索支護參數及布置如圖2所示。

圖2 錨索桁架、錨桿聯合支護方案（mm）

（1）錨索桁架布置

錨索桁架形式和規格：錨索桁架采用Φ17.8mm、長度6000mm的19絲高強度高延伸率預應力鋼絞線，錨索眼深5m。

錨索桁架布置：錨索桁架排距1000mm，每排分別在頂板和兩幫布置3組錨索桁架。頂板錨索桁架系統的底部跨度為4.0m，錨索孔口距巷道兩幫0.5m；幫部錨索桁架系統的跨度為3.6m，錨索孔口距巷道壁幫0.2m；錨索鉆孔與鉛垂線的夾角為25°。錨索預緊力160kN。

（2）錨桿布置

錨桿形式和規格：桿體為Ф22左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為BHRB500，長度2.0m，桿尾螺紋為M24，螺紋長度100mm。錨桿鉆孔直徑30mm。

錨桿布置：錨桿排距1000mm，每排布置7根錨桿。錨桿間距2000mm(頂板)、1600mm(兩幫)。

錨桿角度：全部垂直巷道壁面打設。

錨固方式：樹脂端部錨固，采用兩支低粘度錨固劑，一支規格K2550，另一支規格M2575，錨固長度為500mm。錨桿預緊力80kN。

2.3 模型建立

根據巷道開挖造成的應力分布影響范圍，建立模型尺寸為：60m×40m×60m。模型共劃分為192000個網格和203603個節點。假設基本頂以上按均布載荷布置，垂直應力按上覆巖層重量計算，水平應力取垂直應力的1.1倍；垂直應力為25.95MPa。 數值模擬分析模型建立完成并給定邊界條件后，模型達到預設收斂參數后計算停止。此時模型內部應力即為初始地應力，將模型自重平衡過程中的位移歸零并建立支護單元后，實施開挖。錨桿、錨索的支護均采用FLAC3D內置的錨索單元(cable)實現。為了避免先開挖后支護造成的巷道變形量增大，因而采用開挖支護同步進行計算模式，開挖通過定義空單元(null)來實現，所建模型如圖3所示。

圖3 數值計算模型圖

3 計算結果分析

對兩種支護方案進行穩定性分析。

（1）垂直應力分布情況

垂直應力的分布情況及大小可以反映巷道圍巖的應力狀態。通過查看不同支護方案的巷道圍巖垂直應力的分布情況，可以分析巷道圍巖穩定性及支護方案對應力場的改變情況。不同支護方案巷道垂直應力的分布如圖4所示。圖4(a)所示，巷道在錨桿、錨索聯合支護條件下，巷道周邊2.0m深度圍巖的垂直應力為2.0～8.0MPa，其應力峰值在兩幫外達到34.0MPa。如圖4(b)所示，錨索桁架、錨桿聯合支護在巷道周邊圍巖的垂直應力也為2.0～8.0MPa，但范圍較(a)小，應力峰值與(a)幾乎相同，說明在本條件下采用錨索桁架支護方案對垂直應力改善具有一定的優越性。

圖4 不同支護方案垂直方向應力云圖

（2）水平應力分布情況

不同支護方案下巷道水平應力分布如圖5所示。圖5(a)所示，巷道在錨桿、錨索聯合支護條件下，兩幫中部分布較大范圍的水平應力為2.0～8.0MPa區域，水平應力峰值達到38.0MPa。圖5(b)所示，錨索桁架、錨桿聯合支護在巷道兩幫水平應力也為2.0～8.0MPa，但巷道頂板壁面附近水平應力明顯改善，即預應力梁的效應明顯，說明采用錨索桁架、錨桿支護方案對巷道頂板支護效果明顯。

（3）垂直位移分析

如圖6所示，在采用不同支護方案情況下，巷道底板位移量均處于較小水平，最大位移量在2.0cm左右，巷道底板穩定。采用錨桿、錨索聯合支護時頂板最大垂直位移量為9.5cm，而采用錨索桁架、錨桿支護頂板最大位移量為3.1cm，顯然錨索桁架、錨桿支護在對巷道頂板控制上有很大優勢。

圖5 不同支護方案水平方向應力云圖

圖6 不同支護方案豎直方向位移云圖

4 結論

合理的支護方案能有效地控制圍巖的穩定性。在晉華宮煤礦巷道條件下，采用錨索桁架-錨桿聯合支護與采用錨桿-錨索聯合支護方案相比，兩幫移近量減少了54%；頂底板移近量減少了67%，說明選用錨索桁架-錨桿聯合支護方案是合理的。