表面支護與圍巖加固對大巷塑性區發育的影響研究

黃 勇，王志堅，劉傳義，田文龍，劉 垚，許金夢

(1.山西潞安化工集團 余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046103；2.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京 100083)

隨著煤炭開采深度的增加，復雜的工程地質條件與特殊的圍巖力學性質使巷道變形問題日趨嚴重，暢通、穩定的巷道是煤礦安全生產的基本保障。針對煤礦大巷的大變形問題，最為典型的支護方法有圍巖加固和表面支護[1-2].常用的圍巖加固手段包括錨桿支護[3]和錨索支護[4]，由于錨桿支護和錨索支護中桿體或者索體可以進入巖體內部，并由錨固劑(樹脂或水泥砂漿)與周圍巖體黏結在一起[5]，通過機械咬合力和摩擦力提供支護阻力[6]，所以可以有效提高巖體的穩定性并充分發揮巖體的自承能力[7].錨桿(索)支護自20世紀初在煤礦應用成功之后，在礦山硐室加固和巷道加固中被大量應用[8].與圍巖加固不同，表面支護泛指在巷道或硐室表面采用砌碹[9]、噴射混凝土[10]或錨網[11]等方式對開挖空間表面進行維護的支護方法。工程實踐結果表明，當開挖空間周圍巖體較為破碎時，表面支護可以有效維持開挖空間表面巖體的穩定性[12-13].本文在已有研究成果基礎上，以余吾煤業北風井西翼采區為研究對象，采用數值模擬研究圍巖加固和表面支護兩種方式對西翼采區開拓大巷的支護效果，對比兩種不同的支護方式對開拓大巷穩定性及塑性區分布的影響作用，以期為優化西翼采區開拓大巷的支護方式提供一定的理論參考。

1 礦井概況

余吾煤業主要開采3#煤層，煤層平均厚度6.02 m，埋深約531 m，設計生產能力為7.5 Mt/a，礦井采用立井單水平開拓，長壁綜采放頂煤采煤法。整個礦井劃分為9個采區，目前正在對北風井西翼采區進行開采，西翼采區采掘工程平面圖見圖1.

圖1 西翼采區采掘工程平面圖

為了保證北風井西翼采區開采過程中采、掘、機、運、通等各個生產系統的穩定運行，在西翼采區布置了5條開拓大巷，包括1條進風大巷，2條回風大巷，1條運輸大巷和1條輔助運輸大巷。但現場實施中發現，西翼采區開拓大巷變形破壞極其嚴重，頂板下沉量大，下沉量最大達2.5 m左右，巷道左右兩幫縮進嚴重，縮進量最大達1 m左右，回風大巷部分區段甚至出現巷道閉合的現象。

針對上述問題，目前采取挑頂和刷幫的方法，對開拓大巷進行不斷翻修，例如將大巷上方即將垮落的頂板挑落，切斷外露的錨桿和錨索，然后重新對頂板進行錨桿(索)支護，但效果不明顯，大巷斷面仍繼續變形，部分區域甚至趨于閉合。

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立及初始平衡

由圖1可知西翼采區各工作面與開拓大巷的相對位置關系，其中N1201、N1202、N1203、N1205、N1101和N1102等工作面均已開采結束，N1100、N1103和N1105工作面即將開采。為了簡化計算，以N1105工作面為例選用FLAC3D軟件進行單獨建模計算。沿著N1105工作面的推進方向進行剖斷，并得到剖斷面上頂板、煤層、底板、回采工作面和開拓大巷的相對位置關系及尺寸，見圖2.在該模型中，開拓大巷的寬度為5 m，高度為4 m，參考實際的開采經驗，回采工作面停采線位置處留設的保護煤柱寬度為100 m.

圖2 N1105工作面沿著工作面推進方向的頂底層位關系圖

首先建立工作面及開拓大巷尚未開采或開挖的模型，四周及底部設置為滾筒支撐的位移邊界條件，頂部施加一鉛直向下大小為10 MPa的壓應力，以模擬上覆巖層的壓應力。模型中，頂板、煤層及底板均采用摩爾庫倫模型，相應的材料參數見表1.

表1 模型中頂板、煤層及底板對應的材料參數表

2.2 無支護下模擬分析

對該模型進行自動計算，直至最大不平衡力比率小于1×10-5.待網格平衡之后，對5條開拓大巷進行開挖，并再次對該模型進行計算，直至重新獲得應力平衡。之后模擬工作面開采，直至工作面推進至停采線，隨后對該模型進行計算直至模型獲得平衡，得到此時開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區分布，見圖3.

圖3 未支護條件下開拓大巷周圍塑性區分布圖

由圖3可以看出，開拓大巷未支護條件下，工作面開采后大巷周圍煤巖體中塑性區發育明顯，左右兩幫中塑性區的破壞深度約為3 m，頂板中的破壞深度約為2 m，底板中的破壞深度約為1 m.

開拓大巷周圍煤巖體中的鉛直應力分布見圖4.由圖4可以看出，在開拓大巷的頂板和底板中均形成了拉應力，而在開拓大巷左右兩側煤體中形成了鉛直壓應力的疊加。

圖4 未支護條件下開拓大巷周圍煤巖體中的鉛直應力分布圖

2.3 表面支護效果分析

利用FLAC3D中的apply命令對開拓大巷表面施加法向壓應力(圖5)，以模擬表面支護對開拓大巷的支撐作用。設置表面支護的壓應力大小分別為0.5 MPa、1 MPa和1.5 MPa，對工作面進行回采模擬，得到模型穩定之后開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區分布，見圖6，7，8.

圖5 采用表面支護對開拓大巷的支護圖

將圖6，7，8與圖3進行對比可以看出，表面支護對提高開拓大巷穩定性及降低塑性區的發育程度有明顯作用。當表面支護的強度為0.5 MPa，開拓大巷左右兩幫的破壞深度有所下降，但下降數值不大；提高表面支護強度為1 MPa時，開拓大巷左右兩幫的破壞深度下降至平均2 m，頂板破壞深度下降至平均1 m；繼續提高表面支護強度為1.5 MPa，開拓大巷周圍塑性區的體積進一步縮小，左右兩幫的破壞深度下降至平均1.5 m，底板破壞深度趨于0.這說明，表面支護的方式及強度對提高開拓大巷周圍巖體的穩定性有重要作用，通過提高表面支護強度可以降低開拓大巷周圍巖體中的塑性區發育。

圖6 表面支護為0.5 MPa時工作面開采后開拓大巷周圍塑性區分布圖

分析產生這種現象的原因在于，通過施加表面支護的方式，解除了開拓大巷開挖空間的自由面，改變了開拓大巷范圍內的邊界條件，限制了圍巖向開挖空間收斂的趨勢，從而提高了巖體的穩定性。

圖7 表面支護為1.0 MPa時工作面開采后開拓大巷周圍塑性區分布圖

圖8 表面支護為1.5 MPa時工作面開采后開拓大巷周圍塑性區分布圖

2.4 錨桿(索)加固效果分析

為研究圍巖加固對開拓大巷穩定性的影響，在開拓大巷開挖后，采用錨桿支護和錨索支護對5條開拓大巷進行加固，其中錨桿長度為3 m，錨固方式為全長錨固；錨索長度為8 m，錨固方式為端頭錨固。錨桿和錨索的輸入參數見表2.

表2 錨桿和錨索的錨固方式及輸入參數表

對工作面進行開采，并計算模型至平衡，獲得此時錨桿(索)內的軸力分布，見圖9.由圖9可以看出，在當前條件下，最大軸力約為124 kN，最大軸力均出現在巷道左右兩幫中的幫錨桿內。

圖9 工作面開采后錨桿(索)內的軸力分布圖

同時獲得錨桿(索)加固后的開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區分布圖，見圖10.與圖3進行對比分析可以看出，雖然采用了錨桿(索)進行了圍巖加固，但工作面開采之后，開拓大巷周圍塑性區的體積并沒有明顯縮小，說明此種條件下采用錨桿(索)支護對提高巷道的穩定性作用不明顯。分析原因在于，開拓大巷布置在3#煤層中，而3#煤層自身裂隙發育明顯，穩定性差，所以錨桿作用范圍內的圍巖自身承載能力弱，錨桿支護不能充分發揮其提高圍巖自承能力的作用。

圖10 錨桿(索)支護條件下工作面開采后的塑性區分布圖

3 結 論

采用數值模擬方法對余吾煤業西翼采區開拓大巷的穩定性及巷道周圍巖體中的塑性區發育展開了研究，對比分析了圍巖加固和表面支護這兩種方式對西翼采區開拓大巷穩定性的影響：

1)以表面施加法向壓應力的方式模擬了表面支護對開拓大巷穩定性的影響。研究結果表明，采用表面支護的方式可以有效減少開拓大巷開挖空間的自由面，從而改變開挖空間的邊界條件，限制了開拓大巷周圍巖體向開挖空間內的收斂，提高了煤巖體的穩定性。此外，通過增加法向壓應力的強度，可以有效降低開拓大巷周圍巖體中塑性區的發育程度，從而提高開拓大巷的穩定性，當表面支護強度為1.5 MPa時，開拓大巷左右兩幫的破壞深度下降約1.5 m，頂板破壞深度下降約1 m.

2)西翼采區的開拓大巷布置在煤層中，開拓大巷上方頂板及兩幫均為煤體，由于煤體內部節理、裂隙較為發育，穩定性較差。因此，錨桿并未能充分發揮其提高圍巖自承能力的作用，此種條件下，采用錨桿(索)不能有效降低巷道周圍塑性區的發展。