巷道支護參數優化設計及數值模擬分析

李 平

(晉能控股煤業集團 寺河礦，山西 晉城 048000)

隨著礦井采深的延深，其開采條件復雜化，同時防突工作面增多，使巷道掘進效率進一步受到限制，造成掘進工作面設備及人員占用多，掘進效率低，采掘接替緊張等。為了應對當前的經濟形勢，結合礦井的實際情況，使錨桿支護巷道既不過度支護又能保證支護強度滿足安全生產需要，秉承“支得住、支得快、支得省”的支護理念，使錨桿支護巷道的設計符合技術先進、安全可靠、經濟合理，確保工程質量、提高單進水平，為“一礦一策、一面一措” 提供錨桿支護參數設計、施工依據。

針對煤礦深部礦井錨網支護巷道受支護參數欠佳、支護過剩、支護成本增加、掘進進度緩慢等技術難題，從巷道地質狀況及巷道支護體系入手，研究與應用煤礦井巷支護參數優化與快速掘進技術。研究形成了一套以“高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度”為原則的創新支護體系。這一體系可使錨桿和錨索各自的適用范圍都得到擴展，提高了巷道的支護效果，有效地控制了巷道圍巖的變形，實現了穩定可靠的支護效果。

1 技術方案

1.1 錨桿參數選擇要求

(1)錨桿材質。目前我國錨桿材質主要有高強螺紋鋼、右旋等強螺紋鋼等幾種。其中，高強螺紋鋼因其強度高、表面有凹凸紋理，可保證與錨固劑有較高的黏結強度和錨固強度，因而支護強度要遠遠大于其他材質錨桿。所以，大埋深巷道施工，一般以選擇高強螺紋鋼錨桿為宜。

(2)“三徑”匹配選擇。“三徑”匹配關系，是指錨桿直徑、鉆孔直徑、樹脂藥卷直徑三者的匹配關系。“三徑”關系是否合理直接影響著錨桿的錨固力、錨桿支護的安全可靠性和經濟合理性。①合理的“三徑”匹配關系可以保證樹脂藥卷的均勻混合、成本合理，并能節省鉆孔時間；同時，最主要的還可以保證合理的樹脂環形厚度。由于螺紋鋼錨桿表面的結構不同，相應的拉拔力與環形厚度也不同。研究發現，使用無縱筋左旋螺紋鋼錨桿時，錨固劑環形厚度以5～6 mm最佳，而使用帶縱筋的螺紋鋼錨桿時，環形厚度以7～8 mm最好。②錨固劑與錨固方式。從錨固劑錨固效果看，樹脂藥卷與錨桿和圍巖的黏結強度明顯好于水泥藥卷錨固的錨桿；同時，樹脂藥卷錨固錨桿還具有錨固效果好、可靠性高、使用方便、節省工時，防震性能好，防腐防銹等優點。因而目前煤礦大多采用樹脂錨固劑。一般錨固劑錨固方式分為3種基本類型：端頭錨固、加長錨固、全長錨固。端頭錨固方式錨桿，除錨固段與圍巖體粘結緊密外，其余部分大多與圍巖體呈脫開狀態，很難保證錨桿具有足夠的錨固力。全長錨固方式對保證錨桿足夠的錨固力極其有利，但施工困難，樹脂藥卷用量大、費用高。經驗證明，頂板、兩幫的錨固方式以采用加長錨固比較可行，既可以保證錨桿的錨固力也可以實現錨桿桿體的延展率。③錨桿長度的辨識與設計。針對頂板在采動對底部巷道支護劇烈影響的情況選擇高強錨桿，以確保在強烈采動下對底部巷道受力的均勻傳遞和復合頂板在不同深度不同類型載荷作用下，以最充分發揮錨桿對圍巖的高強組合梁作用。

1.2 錨索參數選擇要求

錨索采用φ22 mm的單根鋼絞線，長度7 300 mm，型號為SKP22-1/1720-7.3。

2 數值模擬分析

2.1 模型建立

井下工作面開采3號煤層，煤層為近水平煤層，煤層傾角為2°～10°，平均6°，煤層平均厚度為6.0 m，煤層結構簡單，煤層黑色，條帶狀結構，似金屬光澤，半亮型，以亮煤為主，有夾矸1層，屬穩定型煤層。煤的密度1.45 t/m3，煤層堅固性系數f=1～2，蓋山厚度266～487 m，地壓6.65～12.18 MPa。頂板為砂質泥巖，厚度為4.2 m，灰黑色，中厚層狀，含植物化石，局部砂質含量較高，巖芯完整。底板為K6灰巖，厚度2.1 m，深灰色石灰巖，局部產少量動物碎屑化石，頂部見燧石結核。巖體參數是影響數值模擬結果的重要因素，本次模擬選取某煤層及其夾矸，煤層頂部泥巖及底板砂質泥巖作為模擬對象，其物理力學參數見表1。

表1 煤巖體力學參數Tab.1 Failure sample data

在巖土工程的數值模擬計算中，巖石強度準則的選取是決定模擬效果的關鍵因素，表征了巖石在極限應力狀態下的應力狀態和巖石強度參數之間的關系。本次數值模擬計算采用摩爾—庫侖強度準則。

2.2 數值模擬結果分析

(1)分析截面的設定及支護方案。為了比較不同支護參數下圍巖的應力和位移狀況，設定垂直巷道中心軸線并經過兩排錨桿中線的豎直截面為分析截面，在該截面中取經過巷道中心點的垂線作為檢測線，監測點巷道頂板至模型頂部平均分布12個測點，底板以下至模型底部平均分布4個測點。①原支護方案：矩形斷面錨桿頂幫錨桿間排距900 mm×900 mm，頂錨桿采用φ22 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，錨桿型號MSGLW-500/22×2400，錨索按“3-0-3”布置，錨索采用φ22 mm的單根鋼絞線，長度7 300 mm，型號為SKP22-1/1720-7.3(簡稱：7.3 m錨索)，間排距3 000 mm×1 500 mm，采用孔徑為50 mm×50 mm、規格為6.0 m(3.5 m)×1.2 m金屬網護頂護幫。②新支護方案：矩形斷面錨桿頂幫錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm，頂錨桿采用φ22 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，錨桿型號為MSGLW-500/22×2400，錨索按“2-0-2”布置，錨索采用φ22 mm的單根鋼絞線，長度7 300 mm，型號為SKP22-1/1720-7.3，間排距2 000 mm×2 300 mm，頂板采用規格為3.0 m×1.3 m鋼筋網護頂。幫部采用50 mm×50 mm、規格為3.5 m×1.2 m金屬網護幫。

(2)不同支護參數對圍巖應力的影響分析。礦井生產過程中，由于受采掘工作的影響，原巖應力場的平衡遭到破壞，致使采掘空間周圍的應力重新分布，改變了巷道圍巖的應力狀態，圍巖本身的支撐結構受到破壞，在施工過程中，通過專用張拉機具及時給錨桿以很高的張拉力，并傳遞到頂板，使頂板巖層在水平應力作用下處于橫向壓縮狀態，形成“柔性化”的壓力自撐結構，弱化圍巖應力集中強度，從而阻止高水平應力對頂板圍巖體的破壞。

通過比較巷道圍巖在不同支護方案下的應力分布情況，論證新支護方案的合理性。不同支護方案下巷道圍巖應力分布如圖1所示。

圖1 不同支護方案下巷道圍巖應力分布Fig.1 Stress distribution of surrounding rock of roadway under different supporting schemes

由圖1可知，水平應力在巷道兩幫形成卸壓區域，上幫卸壓面積為下幫卸壓面積的1.9倍，在巷道頂部及底部形成應力集中區域，上部應力集中區域面積為下部的1.3倍。垂直應力在巷道兩幫形成應力集中區域，下幫應力集中區域面積為下幫的1.2倍，在巷道頂部與底部形成卸壓區域，卸壓面積基本相等。

不同支護參數下巷道圍巖水平應力分布如圖2所示。

圖2 不同支護參數下巷道圍巖水平應力分布Fig.2 Horizontal stress distribution of surrounding rock of roadway under different supporting parameters

由圖2可知，水平應力在巷道錨桿尾部附近及巷道底板下3 m的范圍出現應力集中現象，在原支護方案下，錨桿尾部附近最大壓應力為25.4 MPa，在新支護方案下為21.6 MPa，底板下3 m的范圍最大壓應力在原支護方案下為24.3 MPa，在新支護方案下為22.7 MPa，隨著深入頂板遠離錨桿尾部，壓應力逐漸減小。至錨桿尾部1.7 m外，2種支護方案下基本都處于原巖應力狀態。在非原巖應力狀態區域內，新支護方案較原方案都呈現水平應力不同程度的減小現象，最大卸壓值3.7 MPa。

不同支護參數下圍巖垂直應力分布如圖3所示。

圖3 不同支護參數下圍巖垂直應力分布Fig.3 Vertical stress distribution of surrounding rock under different supporting parameters

由圖3可知，雖然在監測區域垂直應力都出現了卸壓現象，但新支護方案的卸壓幅度要比原支護方案大，最大差值為4.833 MPa。

(3)不同支護參數下巷道頂板位移分析。不同支護參數下巷道圍巖位移分布如圖4所示。

圖4 不同支護參數下巷道圍巖位移分布Fig.4 Displacement distribution of surrounding rock of roadway under different supporting parameters

不同支護參數下圍巖垂直位移分布如圖5所示。

圖5 不同支護參數下圍巖垂直位移分布Fig.5 Vertical displacement distribution of surrounding rock under different supporting parameters

由圖5可知，在新支護方案下，巷道頂板的最大下沉量為25 mm，原支護方案下，巷道頂板的最大下沉量為32 mm，差別不大。

經以上分析可知，新支護方案在緩解巷道圍巖應力集中方面要優于原支護方案，增加錨桿間排距，減少錨桿用量，降低巷道支護成本，為提高巷道掘進速度創造條件，其合理性得到進一步的論證。

3 支護優化后圍巖監測結果分析

本試驗實施前，該巷道按照傳統施工方式已掘進160 m，為綜合分析比較不同工藝施工巷道狀況，特選擇試驗實施第一個月的施工巷道與原先施工的這160 m進行比較分析，特在每段巷道各設10個離層儀，10個“十”字觀測站，截止到10月底，取每個測點的最大位移量進行比較，結果如圖6所示。

圖6 支護優化后圍巖監測結果分析Fig.6 Analysis of monitoring results of surrounding rock after optimized supporting

由圖6可知，試驗實施后，巷道掘進速度不僅大大提高，施工后的巷道圍巖穩定性也得到了有效的改善，實現了巷道的一次成巷，避免了二次支護，促進了高產、高效礦井的實現。

4 技術創新點

通過優化錨桿支護參數，增大錨桿(索)間排距，有效提高了施工效率和單進水平，緩解了接替緊張的局面，實現了早移交早投產，解決了接替脫節的現象。降低單位錨桿(索)支護密度，有效降低了巷道的開采成本，達到了節支增效的目標。通過優化錨桿支護參數，有效優化了勞動組織，降低了職工的勞動強度，達到了降低人工成本的目標。

5 結語

研究取得了明顯效果，降低了支護成本，提高了掘進效率，優化了勞動組織，緩解了礦井采掘接替緊張局面，無論在理論上、技術上、范圍上都取得了新的突破。對同類巷道提供工程類比、設計指導，具有廣泛和重要的推廣應用價值。