大斷面煤礦巷道支護技術的研究

張冠宇

（朔州煤電安監分局， 山西 朔州 038300）

引言

錨桿支護技術具有許多的優點，在各個工程項目上被廣泛采用，目前作為煤礦企業開采過程中的主要巷道支護技術而被廣泛使用。隨著煤礦行業大采高和綜放技術的發展，各地的大型煤礦生產企業都開采出了大斷面開采巷道。通過對現有支護技術的觀察，對于大斷面巷道的錨桿支護技術的研究還不夠全面。目前常研究的是斷面較小的巷道支護技術[1]。大斷面巷道所面臨的是地下深層圍巖載荷地應力作用，由于身處地下，對于大斷面巷道能否保障其不塌方的安全性有著較高的要求。經過統計，在錨桿支護條件下還會出現大面積冒頂片幫事故，此類現象說明針對大斷面開采巷道的支護技術還有待進一步研究[2]。

1 大斷面矩形煤巷圍巖的變形特征

大斷面矩形煤巷由于開挖、支護方便，斷面利用率高，能滿足大型設備和人員運輸通行的需求，已經被各大礦山廣泛應用。但由于煤巷圍巖本身就比較松軟[3]，再加上斷面較大，造成圍巖變形特別嚴重，維護困難，經常發生頂板事故，所以非常有必要對大斷面矩形煤巷的破壞規律進行研究。

巷道開挖前，巖體處于原巖應力狀態中，保持著三向應力平衡。通過多項研究表明：巷道開挖后，圍巖的應力會向四周轉移，造成圍巖徑向應力減小和切向應力增加。徑向應力的減小使圍巖使由三向應力狀態轉化為了單向或雙向應力狀態，造成圍巖強度的降低。如果降低后的圍巖強度仍大于集中的切向應力，那么圍巖將保持穩定，但當圍巖強度下降到低于集中的切向應力時，圍巖將發生破壞。圍巖將由邊界向深處分為破裂區、塑性區和原巖應力區[4]。

2 大斷面矩形煤巷支護參數設計

通過對現場大斷面矩形開采巷道的實際觀察走訪，采用工程類比法的方式，對巷道的頂板及巷道兩側的兩幫支護參數進行設計。

通過各個位置所承受的載荷作用力不同所選用不同的支護構件，主要包括有錨索、螺紋鋼錨桿、塑料網、玻璃鋼錨桿等，將上述構件分別布置于向道的頂板及兩幫，采用非對稱式結構進行設計布置，每一個構件都采用國家所規定的標準件，并且具有互換性便于后期的維護更換[5]。

根據地下地層的地質構造選取不同的錨固構件，從經濟性角度出發選取的錨桿的直徑應符合實際需要，由于錨桿主要受到錨固力的作用，要求所受到的錨固力必須大于制作桿體材料的屈服強度數值。相關的參數設計均應符合國家標準、行業標準，可通過查閱相關的技術手冊得出數據。在完成對參數的確定后，應通過公式計算進行校核，參數數據應考慮安全系數在1.2～1.5之間[6]。

其中頂板的錨索布置為排距3.0 m和兩側錨索與巷幫間距為1.5 m的類似矩形方陣。兩側錨索在水平方巷道巷幫距離為1.8 m。在容易滑脫的構建上設置預緊部件，通過金屬網格將各個預緊部件進行緊密的結合。設計出的大斷面矩形巷道支護參數如下頁圖1所示。

3 大斷面煤巷的數值模型與仿真

3.1 模型的建立

采用有限元數值模擬分析的方法能夠降低試驗研究的成本，對于各個數據的獲取具有直接性，在大斷面采煤巷道的數值模擬研究中，通過FLAC3D仿真軟件，對研究模型進行數據分析計算。根據某煤礦實際煤層情況。為反映有效的研究結果，對煤層建立起三維模型并劃分網格，如下頁圖2所示。

3.2 材料定義與邊界條件

對仿真構建的材料定義是否準確關系到最終結果的精確性，通過查閱相關資料，對煤層中煤炭的力學參數進行定義。設置煤炭的體積模量為8.5 GPa、剪切模量為2.18 GPa、內摩擦角為42.23°、內聚力為2 200 kN、抗拉強度為3.15 MPa。

圖1 大斷面矩形巷道支護參數設計示意圖（單位：mm）

巷道頂部的邊界由于受到巖石的自然重力作用，在頂部施加巖石的重力載荷，大小約為12 MPa，施加水平應力約為巖石重力載荷的2.1倍。并且設置模型三維各個方向上的邊界條件約束模型的自由移動。

3.3 仿真結果分析

3.3.1 巷道位移對比分析

將大斷面矩形巷道開挖模擬后的位移數據分布情況進行對比分析。如圖3所示，沒有設置支護結構的巷道斷面位移情況已延伸至仿真模型的邊界，位移情況影響較遠，不利于圍巖的安全性。而從設置有錨桿支護結構的巷道的位移分布云圖可以看出，最大位移出現在巷道的底部，最大位移數值比沒有設置支護結構的巷道位移數值下降36.88%，錨桿支護結構在安全性方面取得了較好的效果。

3.3.2 巷道圍巖應力分布對比分析

通過仿真數值分析軟件提取數據分析，設置有支護結構的巷道在錨桿主動對地層圍巖施加反向作用力的情況下，最大應力數值已由20 MPa減小至10 MPa。通過合理在巷道內設置預應力錨桿，巷道的頂板及兩幫的最大應力數值均有明顯的下降，數值下降率分別為50%、32.11%。如圖4所示，沒有設置支護結構的巷道地層應力載荷分布影響較遠，不利于巷道安全性管理，而設置有錨桿支護結構的巷道將地層應力載荷作用的影響范圍集中于預應力錨桿作用范圍內，有效地提高了錨桿在大斷面巷道支護作用的應用效果。

圖3 巷道位移云圖對比分析

圖4 巷道圍巖應力分布云圖對比分析

4 結語

隨著采煤技術的不斷完善，開采深度逐漸增加，面對地下深層的惡劣作業環境，煤礦企業為保障自身的開采任務工作量，確保企業的全面發展，通常采用大斷面矩形巷道截面的結構形式，形成對煤炭的開采作業，在提高了煤炭生產量的同時也對開采的安全性提出了要求。預應力錨桿技術是對此類截面結構形式的圍巖支護的常用方式，但目前研究人員在應用預應力錨桿技術時未深入進行相關研究，缺乏科學性。通過對某地煤礦企業大斷面矩形巷道布置預應力錨桿的研究，進行技術參數優選，應用有限元仿真分析方法計算得出采用了預應力錨桿支護的巷道在圍巖位移控制以及圍巖載荷應力分布方面的安全性更具有優異性。