采動影響巷道支護參數優化研究

陳道志，侯記川

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島市 266590；2.陜西長武亭南煤業有限責任公司，陜西 咸陽市 712000)

隨著煤礦開采深度和強度的不斷增加，礦井開采條件越來越復雜，回采巷道在開采擾動下，礦山壓力顯現劇烈，圍巖破碎，變形量大，影響巷道的正常使用[1-3]。目前，錨桿支護是我國煤礦最主要的支護形式。許多專家和學者做了大量的研究工作，使得錨桿支護理論日趨完善，支護技術得到快速發展[4-8]。錨桿支護作為一種主動支護，通過改善圍巖體應力分布和提高圍巖體強度來充分發揮圍巖的自承載能力，具有顯著的技術經濟效益[9]。

1 工程概況

某煤礦10#煤二采區位于井田西翼，即東西翼大巷以北，工業廣場以西，和井田邊界圈定的范圍劃分為二采區。該采區南北走向長為1700 m，東西傾斜長為1048 m，為一不規則形狀，面積1.644 km2，批準開采4#～10#煤層，開采深度1130～778 m 標高。根據煤層賦存條件及開采技術條件，采用一次采全高綜合機械化放頂煤采煤法。

6206 與10206 回風順槽分別服務于6#、10#煤層，巷道斷面尺寸見表1。

表1 6206、10206 回風順槽斷面尺寸

原支護方案均采用錨桿、錨網、梯子梁、錨索聯合支護，斷面形狀為矩形。在實際生產期間，發現接替工作面緊鄰回采工作面一順槽巷道受動壓影響，巷道變形量較大，存在頂板錨索破斷等問題。由于6#、10#煤層工作面上下同時開采（分層同采）且留有一定安全錯距，因此對10206 動壓巷道圍巖穩定性及其支護方案進行重點分析與探討。

2 動壓巷道支護方案分析

動壓巷道圍巖變形控制應當滿足巷道圍巖整體性控制原則、充分發揮沿空掘巷自身承載能力原則、高預應力和預應力擴散原則、“三高一低”原則、臨界支護強度與剛度原則、相互匹配原則、可操作性原則[6]。在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經濟合理，以降低巷道支護綜合成本。

基于錨桿、錨索支護參數計算結果，為10206回風順槽設計了3 種支護方案。各支護方案支護參數見表2。其中，方案一為原支護方案。

表2 10206 動壓巷道支護方案

3 動壓影響巷道支護參數模擬分析

3.1 數值模型的建立

采用FLAC3D數值模擬軟件[7]，對10206 回風順槽在不同支護方案時的應力分布及變形特征進行研究，以便為10206 動壓巷道支護方案的合理制定提供依據。根據10206 回風順槽的煤層頂、底板結構及其他條件，確定巷道數值計算模型，據此分析不同支護參數時巷道的圍巖應力分布及變形特征。

3.1.1 模型邊界條件

計算模型以10206 回風順槽實際參數為依據。模型底邊界施加位移約束條件；模型上邊界與左右邊界施加應力邊界條件，即頂部為應力和位移自由邊界；模型的兩個側面采用法向約束。本次模擬計算施加垂直應力σz=5.0 MPa，由于巷道埋深較淺，巷道周圍無大的水平構造，因此側壓系數λ 取0.5。

3.1.2 模型建立和網格劃分

根據工程實際情況及本次數值模擬的目的，模擬計算范圍選取10#煤層穩定的底板至6#煤層穩定的頂板共計80 m 范圍內的煤、巖層。在巷道軸向取較小值，并采用位移約束條件限制其變形，以保證模型符合平面應變問題的基本假定。模型大小沿x方向取81 m，y方向取8 m，z方向取80 m，數值計算模型尺寸81m×8m×80 m，單元體數59 040個，節點數68 796 個。煤巖層按水平狀態考慮，建立的數值計算模型如圖1 所示。

圖1 數值計算模型

3.1.3 本構模型及巖層參數

計算模型中巖層破壞準則選取Mohr-Coulomb準則[12]。通過Set Large 命令模擬巷道圍巖大變形。通過FLAC3D中的坐標更新命令，在每個計算時步后，通過更新節點坐標的方式將位移增量加到節點坐標上，以材料網格的移動和變形模擬巷道圍巖的大變形。數值模擬的煤系地層力學參數見表3。

表3 數值模擬煤巖層力學參數

3.1.4 數值計算過程

模型建立后先進行初期應力平衡計算，使邊界施加的應力在模型內均勻傳遞，然后進行6#煤層采煤工作面的回采，再進行10#煤層10206 回風順槽的開挖、支護。數值模擬中錨桿、錨索由Cable 單元生成。計算平衡后，對10206 回風順槽的圍巖變形及變形量進行分析。

3.2 數值計算結果分析

3.2.1 6#煤層開挖數值模擬

模型初始應力形成后，開挖6#煤層采煤工作面，并模擬6#煤層采煤工作面開挖后的圍巖應力分布特征，如圖2 所示。

由圖2（a）可知，6#煤層采煤工作面經過開采后，在采空區中部，垂直應力恢復至原巖應力水平；在采空區兩側煤壁附近底板10 m 范圍內，垂直應力顯著降低；然后，隨著距6#煤層底板距離的增加，垂直應力逐漸恢復至原巖應力水平。在數值模型中，6#煤層與10#煤層的層間距為35.5 m，由于距離較遠，6#煤層開挖引起的垂直應力擾動對10#煤層的影響較小。由圖2（b）可知，6#煤層采空區底板巖層中存在較大范圍的水平應力降低區，由于6#煤層與10#煤層的層間距較大，6#煤層開挖引起的水平應力擾動對10#煤層的影響也較小。

圖2 6#煤層開采后數值計算模型初始應力云圖

3.2.2 10206 回風順槽開挖數值模擬

在6#煤層采空區左幫的正下方開挖10206 回風順槽，巷道寬度取4.5 m，高度取3.0 m，分別按照表2 中設計的3 種支護方案進行模擬。各支護方案的數值模擬結果如下所述，重點探討了巷道周邊應力與位移分布規律。

（1）方案一模擬分析。由圖3（a）可以看出，在深入兩幫3.0 m 處垂直應力最大，最大值為7.74 MPa，這與巷道開挖引起的應力重分布有關。由圖3（b）可以看出，水平應力最大值在巷道底板正下方5.0 m 處，最大值為3.45 MPa。此外，兩種情況下巷道表面圍巖出現應力降低現象，這表明圍巖出現了塑性變形。由圖3（c）可以看出，在距巷道4個角2.0 m 位置出現了剪應力集中，最大值為1.53 MPa。

圖3 10206 巷道開挖后應力云圖（方案一）

由圖4（a）可以看出，巷道開挖后頂板變形量在許可范圍內，其中巷道頂板中部下沉量最大，最大值為31.07 mm，底鼓量最大值為12.14 mm，頂底板最大移近量為43.21 mm。由圖4（b）可以看出，巷道右幫中部水平變形量最大，最大變形量為12.31 mm，左幫最大變形量為6.60 mm，兩幫相對移近量最大值為18.91 mm。

圖4 10206 巷道開挖后位移云圖（方案一）

（2）方案二模擬分析。由圖5（a）可以看出，在深入巷幫2.5 m 處垂直應力最大，最大值為7.75 MPa，這與巷道開挖引起的應力重分布有關。由圖5（b）可以看出，水平應力最大值在巷道底板正下方5.0 m 處，最大值為3.43 MPa；此外，兩種情況下巷道表面圍巖出現應力降低現象，這表明圍巖出現了塑性變形。由圖5（c）可以看出，在距巷道4個角2.0 m 位置出現了剪應力集中，最大值為1.52 MPa。

圖5 10206 巷道開挖后應力云圖（方案二）

由圖6（a）可以看出，巷道開挖后頂板中部下沉量最大，最大值為26.82 mm，底板底鼓量最大值為11.87 mm，頂底板最大移近量為38.69 mm。由圖6（b）可以看出，巷道兩幫中部水平變形量最大，左幫最大變形量為5.45 mm，右幫最大變形量為9.04 mm，兩幫相對移近量最大值為14.49 mm。

圖6 10206 巷道開挖后位移云圖（方案二）

（3）方案三模擬分析。由圖7（a）可以看出，在深入兩幫2.5 m 處垂直應力最大，最大值為7.76 MPa，這與巷道開挖引起的應力重分布有關。由圖7（b）可以看出，水平應力最大值在巷道底板正下方5.5 m 處，最大值為3.43 MPa。由圖7（a）和7（b）還可以看出，巷道表面圍巖出現應力降低現象，這表明圍巖出現了塑性變形。由圖7（c）可以看出，在距巷道4 個角2.0 m 位置，出現了剪應力集中，最大值為1.51 MPa。

圖7 10206 巷道開挖后應力云圖（方案三）

由圖8（a）可以看出，巷道開挖后頂板中部下沉量最大，最大值為25.29 mm，底板底鼓量最大值為12.29 mm，頂底板最大移近量為37.58 mm。由圖8（b）可以看出，巷道兩幫中部水平變形量最大，左幫最大變形量為4.98 mm，右幫最大變形量為9.16 mm，兩幫相對移近量最大值為14.14 mm。

圖8 10206 巷道開挖后位移云圖（方案三）

由圖3、圖5 和圖7 可以得出，巷道在開挖后，采用3 種不同支護方案時，巷道圍巖應力分布狀態及最大應力基本一致。但在3 種支護方案下，巷道圍巖不同位置的最大位移卻有較大差異，其對比如圖9 所示。

由圖9 可知，從巷道整體圍巖變形量看，方案一＞方案二＞方案三，即隨著支護強度的增加，巷道圍巖變形量減小。由于采用方案二時的巷道圍巖變形量與方案三（支護強度最大的方案）相差不大，結合支護成本因素綜合考慮，推薦采用方案二作為優化支護方案。

圖9 不同支護方案下巷道圍巖變形對比

3.3 動壓巷道支護參數確定

通過理論計算與數值模擬分析對10206 回風順槽支護參數進行了研究，獲得了最優支護方案，即采用錨桿+錨網+鋼筋梯子梁+錨索聯合支護。

頂板支護時，錨桿采用Φ20 mm×2200 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距均為1000 mm×900 mm。錨桿呈矩形布置，每排布置5 根。兩幫支護時，錨桿采用Φ20 mm×2000 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，每排布置4 根。

4 結論

針對某礦10#煤層工作面順槽巷道受6#煤層采動影響的實際情況，通過現場調研、理論分析、數值模擬、工程試驗等方法，對10#煤層受采動影響巷道支護參數進行了優化研究，得到如下結論:

（1）為維護動壓巷道圍巖的穩定性、確保巷道安全使用，提出了采用“錨桿+錨網+鋼筋梯子梁+錨索”聯合支護方案；

（2）通過理論計算與模擬分析，優化確定的巷道合理支護參數為：頂板錨桿間排距為1000 mm×900 mm，高強錨桿Φ20 mm，長度為2200 mm；兩幫錨桿間排距為800 mm×900 mm，高強錨桿Φ20 mm，長度2000 mm；頂板錨索Φ17.8 mm，長度7200 mm，間排距為1400 mm×1800 mm；

（3）通過現場監測，10#煤層工作面巷道斷面收縮率較小，巷道整體變形量小，完整性較好，表明支護方案二參數設計合理。