鐵新礦2118工作面巷道支護模擬及分析

霍丙坤

（山西中煤華利鐵新煤業有限公司，山西靈石031302）

隨著煤炭資源開采深度的增加，很多礦井的開采深度已經超過500m，礦壓增大、巷道穩定性差的問題日益嚴重[1-2]。如何加強巷道的支護工作，使得企業更加高效、安全地對煤炭資源進行開采，成為了行業內不得不面對的問題[3]。

1 工程概況

山西中煤華利鐵新煤業有限公司（以下簡稱鐵新煤礦）位于山西靈石兩渡鎮，目前開采2#煤層。主采工作面為2118工作面，位于+555水平2號煤一采區，工作面傾向長度160m/149m，走向長度145m/341m，采用一次采全高走向長壁后退式綜合機械化采煤，除斷層影響外，無特殊影響因素。

目前2118材料巷揭露2條斷層，遇斷層時巷道頂板會出現有滴淋水現象，為滿足巷道運輸、行人、通風等需求，需要對巷道圍巖進行有效控制并制定安全有效的支護措施。

2 數值模擬

為準確分析鐵新煤礦2118材料巷在未進行支護下，圍巖變形規律及破壞特征的情況，本文將采用專業的巖土工程模擬軟件FLAC 4.0進行巷道物理模型的建立與計算。

物理模型網格建立：選取巷道斷面面積：5.0m×3.8m，共劃分33600個單元（網格橫縱數量：240×140）。

邊界條件設置：將模型上表面、左右側及下表面分別設定為應力邊界條件、水平位移約束邊界和垂直位移約束邊界。并根據鐵新煤礦2118材料巷地質情況，對上覆巖層重力引起的平均原巖應力進行應力評估計算工作：555m×2500kg/m3×10N/kg=13.8MPa。最終計算得出了2118工作面材料巷圍巖塑性區分布圖和圍巖變形圖，見圖1、圖2。

圖1 2118材料巷塑性區分布圖

如圖1所示，2118工作面材料巷圍巖并不穩定，具有塑性區分布較廣、變形破壞范圍嚴重的特點,巷道頂板、兩幫和底板圍巖塑性區分布范圍分別是：7660mm、2×3900mm（即7800mm）和1595mm。。圖2為2118材料巷圍巖變形圖與位移量統計，未進行支護時，巷道頂板、兩幫和底板的位移量分別達到434mm、2×440mm（即880mm）和604mm；

圖2 2118材料巷圍巖變形圖（支護前）

綜合判斷，2118工作面材料巷圍巖的變形較為嚴重，需要采用合理的開采方式確保礦井安全生產。

3 支護方案

3.1 巷道支護形式確定

根據鐵新煤礦地質條件與FLAC模擬分析，確定2118材料巷掘進期間巷道頂板采用“螺紋鋼錨桿+減摩墊圈+菱形網+錨索”支護，幫部采用“螺紋鋼錨桿+菱形網”支護。

3.2 支護參數選擇

頂部支護：頂板支護選用?18mm，L=2000mm的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1000mm×1000mm；頂板離層、淋水及破碎時，選用?18mm，L=2000mm的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距1000mm×800mm。錨索?15.24mm，L=5200mm，錨索間排距2000mm×3000mm；頂板離層、淋水及破碎時，錨索間排距2000mm×1600mm。

幫部支護：兩幫選用?20mm，L=1800mm的玻璃鋼錨桿支護，錨桿間排距800mm×1000mm；頂板離層、淋水及破碎時，間排距800mm×800mm。

工作面最大控頂距為1.5m（頂板有離層、淋水及破碎時為1.2m），幫部滯后支護迎頭距離不超過4.5m（頂板有離層、淋水及破碎，幫部有片幫情況時上幫支護滯后迎頭距離不超過2.8m）,錨索距迎頭最大距離3.5m（頂板有離層、淋水及破碎時為2m）。

3.3 支護材料與規格

螺紋鋼錨桿材質為MG400左旋無縱肋金屬錨桿，?18mm，L=2000mm。桿體屈服強度為385MPa，拉斷強度570MPa，延伸率19%，配套使用的鐵托盤規格為120mm×120mm×8mm。

玻璃鋼錨桿材質為MGSC20/2000F樹脂錨桿，桿體抗拉強度為300MPa。桿體抗剪強度為75MPa，配套使用的塑料托盤規格為?140mm。

錨索材質為鋼絞線，?15.24mm，L=5200mm，錨索鋼絞線的抗拉強度等級,不低于1860MPa，其延伸率不小于3.5%，錨索托盤使用L=400mm中間加焊150mm×140mm×10mm鋼板的礦用18#槽鋼。

錨固劑型號為CK2350，錨固劑規格為?23mm×500mm，錨固劑凝膠時間0.5～1min。頂幫錨桿各裝1支錨固劑，錨索裝2支錨固劑。

菱形網緊跟錨桿逐排鋪設，聯網時可采用網與網搭茬進行連接，其中網與網搭接長度為200mm，并用14#雙股鐵絲交錯擰緊且鐵絲扭結720°，聯網間距200mm。菱形網規格為5000mm×1800mm、4600mm×1200mm。

菱形金屬網由10#鐵絲編制而成，頂板按垂直巷道方向鋪設，幫部按照巷道掘進方向進行鋪網，菱形網規格分別為5000mm×1800mm、4600mm×1200mm。

支護材料規格見表1。

表1 支護材料規格表

3.4 模擬結果

支護方案確定后，再次運行FLAC4.0對2118工作 面材料巷進行數值模擬，分別得到塑性區分布圖與圍巖變形數據，見圖3與圖4。

如圖3所示，在進行支護后，巷道頂板預圍巖的塑性區域大幅減小，主要集中在巷道表明處，圍巖穩定性得到了有效控制，具體見圖4。

圖3 2118材料巷塑性區分布圖

圖4 2118材料巷圍巖變形圖（支護后）

可以看出，支護后巷道頂板和兩幫的最大塑性屈服半徑分別降低至5200mm和2×3305mm（即6610mm），也就是說，頂板和兩幫的塑性破壞范圍有效地降低了32.1%和15.2%。另外，巷道頂板和兩幫的最大位移量也控制在204mm和2×152mm（即304mm），較支護前降低了53.0%和65.5%，底板幾乎變形幾乎消除。

4 結束語

當礦井地質條件滿足時，從節約巷道支護成本、提高掘進效率以及保證企業安全生產的角度來看，以錨桿為主進行支護無疑是最有效的方式之一，通過對鐵新煤礦2118材料巷支護前后的模擬對比，發現巷道圍巖穩定性大幅提高，具體表現為：

（1）通過對支護前后巷道塑性區分布圖分析可以看出，支護前巷道頂板與兩幫圍巖的塑性區分布分別為7660mm和7800mm；支護后頂板和兩幫塑性區分別降至為5200mm和6610mm，降幅達到32.1%和15.2%，巷道圍巖的破壞范圍得到了有效的控制。

（2）通過對支護前后巷道圍巖變形量圖分析可以看出，支護前巷道頂底板與兩幫的最大移近量分別為434mm和880mm；支護后巷道頂板和兩幫的最大位移量則成功控制在204mm和304mm，較支護前降低了53.0%和65.5%，巷道圍巖變形得以效控制。