基于數值模擬的軟巖巷道支護優化研究

王建波 李 洋 常 慶

（1.國家能源集團寧夏煤業紅柳煤礦，寧夏 銀川 750011；2.陜西開拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054）

煤炭資源的開采往往伴隨著各種各樣的工程安全問題，其中巷道支護的合理設計是預防安全問題的關鍵[1-2]。目前寧東礦區煤礦巷道主要支護方式為傳統的錨桿錨索支護方式[3-5]。現階段，由于礦井工程地質條件均較差，煤層賦存情況較為復雜等因素影響，隨著開采強度加大，巷道斷面不斷加大，巷道支護穩定性問題日益突出，加重了生產接續緊張，形成了重大的安全隱患。以紅柳煤礦I040201（西）復雜工作面為研究背景，采用數值模擬等手段開展適合于寧東礦區的巷道支護優化方案研究，以期為寧東礦區各礦井以及類似礦井提供有益借鑒。

1 概況

紅柳煤礦I040201（西）工作面2 煤厚度為5.34～6.48 m，平均厚5.91 m，煤層傾斜8°，f=2～3。巷道沿2 煤頂板掘進，頂板屬于軟巖層，工作面切眼長275 m，工作面走向長511 m。工作面直接頂缺失，其上直接為2 煤基本頂直羅組粗砂巖，厚度37.46～129.2 m，平均84.16 m，富水性較強，粗砂巖含水層是影響該巷施工的主要充水水源。預計局部裂隙發育地段及錨索眼將出現滴淋水現象，巷道正常涌水量5～15 m3/h，最大涌水量30 m3/h。直接底以粉砂巖和泥巖為主，厚度1.16～9.46 m，平均5.36 m。基本底以細砂巖和粉砂巖為主，厚度2.21～6.81 m，平均5.52 m。

2 原巷道基本支護及存在的問題

2.1 原工作面巷道基本支護

紅柳煤礦I040201（西）工作面回風巷沿2 煤頂板掘進，巷道走向傾斜6°，巷道長512 m。回風巷斷面為直墻半圓拱形，掘進寬度5000 mm，掘進高度4400 mm，巷道凈寬4800 mm，凈高度為4000 mm，凈斷面積16.72 m2。巷道采用錨網索噴支護方式，拱部采用錨索支護，錨索規格為Φ21.98 mm×4300 mm，間排距900 mm×800 mm；幫部采用Φ18 mm×2500 mm 圓鋼端頭錨桿，間排距為800 mm×800 mm；配合平鐵托板和柳木托板，平鐵托板規格150 mm×150 mm×10 mm，柳木托板規格400 mm×200 mm×50 mm；端頭麻花長度400 mm；頂部掛設金屬網，金屬網采用Φ6.5 mm 圓鋼加工，網孔規格100 mm×100 mm，金屬網之間用14#鉛絲綁扎，網格孔孔相聯；兩幫掛塑料網，塑料網網格為40 mm×40 mm；塑料網之間、塑料網與金屬網之間用16#鉛絲綁扎，塑料網之間隔孔相連；頂部噴射混凝土，厚度50 mm，混凝土強度等級為C20。具體斷面如圖1 所示。

圖1 基本支護斷面（mm）

2.2 原支護存在的問題

現有支護體系下，巷道整體支護較為有效，巷道周邊的位移量減小。但是頂板仍有拉應力區，且塑性區顯示為受剪破壞。頂板斜拱處有較大的壓應力，建議加大襯砌的強度。頂板z向應力和位移較小，可適當減少頂部錨桿的數量。兩幫處應力和位移均較小，兩幫向外較遠處壓應力較大，并且兩幫塑性區均較大，均超過了錨桿的錨固范圍。兩幫處的應力和位移均較小，說明當前錨固強度足夠而錨固范圍欠缺，需要減少兩幫錨桿的數量，加入少量較長的錨索。

3 原支護方案模擬

對回風巷道進行數值模擬分析得到如圖2～圖4所示的數值模擬云圖。

圖2 工作面回風巷道應力分布云圖

由圖2（a）可知，回風巷頂板和底板出現拉應力，巷道頂板2 m 范圍內的z向應力為拉應力，大小約為0.73 MPa，2 m 外頂板的z向應力為壓應力，大小在5～10 MPa，說明頂板出現面積較小、應力較小的松動圈。巷道開挖支護后，頂、底板的拉應力值較小，兩幫的z向應力略有增大，應力區域較小。由圖2（b）可知，水平應力在巷道左右對稱分布，隨著與巷道中心距離的增加，水平應力逐漸減小。頂板水平位置層面處出現較薄的拉應力區，大小在0.4 MPa 左右；遠離頂板處為壓應力，大小在1～3 MPa；底板處出現較小的壓應力，大小為2～5 MPa；兩幫處水平應力大小在5 MPa 左右，部分區域出現較小的拉應力；兩幫處2 m 范圍內的壓應力較小，2 m 范圍外的壓應力較大，大小為7 MPa。

由圖3（a）可以看出，在支護狀態下，頂、底板上下位移呈對稱分布，位移主要集中在巷道的頂、底板。其中巷道頂板下沉量最大為54.44 mm，巷道底板的最大位移為50.117 mm，同時隨著距離巷道中心距離的增加，位移量逐漸減小。由圖3（b）可知，在支護狀態下，巷道兩幫位移呈對稱分布狀態。水平方向位移集中在巷道兩幫，隨著距離巷道中心距離的增加，位移量逐漸減小。巷道兩幫處的水平位移最大，切眼左幫部中間最大位移量為37.4 mm，切眼右幫部中間最大位移為37.3 mm，位移的方向指向巷道。

圖3 工作面回風巷道位移分布云圖

由圖4 可知，開挖支護后巷道圍巖發生塑性變形，巷道的剪切破壞較多，拉伸破壞較少，兩幫錨桿的支護區域都在塑性區范圍內。

圖4 工作面回風巷道塑性區分布云圖

4 巷道支護優化

4.1 支護參數驗算

錨桿錨索支護參數按照I040201（西）工作面回風巷斷面為直墻半圓拱，巷高4.4 m、巷寬5 m進行計算，原頂部采用Φ22 mm×4300 mm 錨索，幫部采用Φ18 mm×2500 mm 錨桿支護。

1）據懸吊理論確定頂部錨索

錨索長度計算公式：

其中：L為錨索總長度，m；K為安全系數，取2；d1為錨索直徑，取21.8 mm；fa為錨索抗拉強度，取1376 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的黏合強度，取10 N/mm2；Lb為需要懸吊的不穩定巖層厚度，取3 m；Lc外露長度，取0.4 m。

經式（1）、式（2）計算得L=4.9 m。

錨索數目計算公式：

其中：N為錨索數目；K為安全系數，取2；P斷為錨索最低破斷力，kN，鋼絞線直徑為21.98 mm 時P斷為504 kN；B為巷道掘進寬度，取5 m；D為錨索間排距，取1.2 m；Σh為懸吊巖石厚度，取3 m；Σγ為懸吊巖石平均容重，取23 kN/m3。

通過公式（3）、（4）計算得N≥1.6。即需要2 根錨索，即錨索間距（弧長）不大于2.2 m。

錨索排距計算公式：

其中：B取5 m；H為巷道最大冒落高度，取4.4 m；γ為巖體容重，取25 kN/ m3；L1為錨桿排距，取1.2 m；F1為錨桿錨固力，取70 kN；F2為錨索極限承載力，取454 kN；θ為角錨桿與巷道頂板的夾角，取75°；n為每排錨索數，取2。

經公式（5）計算得L排≤2.1 m，即錨索的排距應滿足不大于2.1 m。

2）根據普氏自然平衡拱理論確定幫部錨桿錨桿長度計算公式：

其中：L為錨桿長度，m；L2為錨桿錨入穩定巖層的深度，取0.4 m；L3為錨桿外露長度，取0.15 m；f為巖石普氏系數，取1.7；B為巷道開掘寬度，取4.4 m。

經公式（6）、（7）計算得L≥1.8 m。根據巷道實際條件及礦方常用錨桿長度，取L=2.0 m。

錨桿的間、排距計算公式：

其中：s為錨桿的間、排距，m；Z為錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度，取0.4 m；a為巷道的半跨度，取2.5 m；b為頂板巖層的破壞深度，取1.3 m。

經公式（8）計算可得s≤0.85 m。

錨桿直徑計算公式：

其中：d為錨桿的最小直徑，mm；Q為錨桿設計錨固力，取60 kN；σt為錨桿桿體抗拉強度，取380 MPa。經公式（9）計算得d≤14.2 mm。根據巷道實際條件及礦方常用錨桿規格，取d=18 mm。

4.2 支護優化設計

根據原支護模擬分析、支護參數驗算以及巷道變形及受力特點，結合礦方實際情況（由于頂板地質條件，目前礦方使用頂錨索長度普遍低于理論計算值），該研究提出2 種支護優化方案。

方案1：頂板為長4300 mm、直徑為22 mm 的錨索，間排距為1000 mm×1000 mm，兩幫為長2000 mm、直徑為18 mm 的錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。

方案2：頂板為長5300 mm、直徑為22 mm 的錨索，間排距為1000 mm×1200 mm，兩幫為長2000 mm、直徑為18 mm 的錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。

4.3 支護優化對比分析

1）頂板支護方案分析

根據支護優化設計方案，依次對方案進行模擬研究，并對巷道頂板的應力、位移做出對比分析。對比結果見表1。

表1 頂板數據統計

由統計結果可知，頂板位移最小的為第2 組，位移大小為54.3 mm。相比原支護和方案1 來說，方案2 的支護特點是錨索的長度變長，直徑不變，排距變大，說明適當增加錨桿長度、增大間距對位移量的控制是可取的。對比原支護和第1 組方案，頂板支護的錨索直徑和長度相同，方案1 的間排距變大，但位移增大在2 mm 內，說明錨索間排距可適當變大，對頂板的支護更為有效。因此，選擇5300 mm的錨索比原支護4300 mm的錨索更為有效，可供選擇間距1000 mm、排距1200 mm。

查看頂水平方向應力，發現改變錨桿長度、間排距對橫向應力沒有太大的影響，3 組支護方案產生的水平應力幾乎不變，因此不再考慮水平應力的影響。對比方案1 與方案2 垂直方向應力可知，僅考慮頂板條件下，為保證安全起見，頂板優化選取第2 組為最優支護方案。

2）兩幫支護方案分析

巷道兩幫應力、位移對比結果見表2。

表2 兩幫數據統計

由表2 可知，兩幫原支護和第1 組方案的錨桿直徑和長度不變，錨桿間、排距變大，水平位移增大，說明幫部錨桿的間排距對橫向位移有較明顯的影響。對比優化方案第1 組和第2 組來說，兩組巷道幫部錨桿支護形式相同，但位移量稍有不同，說明頂板的支護形式對巷道幫部的水平位移也產生了一定的影響。兩幫應力沒有明顯差別，不做對比分析。

4.4 優化方案及效益分析

通過支護優化對比分析發現，2 組方案的位移、應力變化不大。實際煤巷支護中，以巷道的位移為主要參考，以及為巷道的安全支護，選用第2 組支護方案最為合理。該方案可最大限度地減小頂板的位移量，達到煤礦巷道安全支護的需要，同時最大限度地節約材料，從而減少經濟投入。兩組方案支護材料用量減少量見表3。

表3 支護材料用量減少率 %

5 結論

1）對現場工作面回風巷變形情況進行調研和分析，發現現有支護體系下，回風巷的支護錨固強度達標而錨固范圍欠缺，需要按當前支護方案材料加大錨桿長度，并減少兩幫錨桿的數量，加入少量較長的錨索。

2）根據Ⅰ020211 工作面回風巷支護存在的問題提出2 種優化方案。通過數值模擬分析，在最大程度節約材料的基礎上，最終優選方案2 最為合理。