曙光煤矿1212大断面煤巷支护技术模拟研究

李洪宾 薛华俊* 梁 斌 何天宇 李涛涛

(1.曙光煤业有限责任公司，山西吕梁 032308;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

1 工程概况

曙光煤矿1212工作面属于二迭系下统山西组2号煤层，煤层厚度平均为2.5 m，伪顶为泥质页岩，厚0.4 m，中间夹二层矸石，煤层结构为 0.86(0.59)0.13(0.12)0.8，煤层倾角为 0°～ 10°，该煤呈块状，半亮形煤，稳定可采。1212运输巷道断面为矩形，巷道宽5 m，高3 m，断面积为15 m2，属于大断面煤巷，巷道支护困难，所以曙光煤矿1212运输巷安全快速掘进与支护，是保证曙光煤矿安全高效生产的重要保障。

2 支护模型建立

为使曙光煤矿1212运输巷支护方案安全与经济，这里采用FLAC3D数值模拟软件对1212运输巷支护方案进行优化研究。模拟巷道断面为矩形，宽5 m，高3 m。巷道模型宽度取55 m，巷道宽度方向取5倍巷道宽度的距离;高度方面，根据巷道顶底板岩层的层数和各岩层的厚度，巷道顶板岩层取14.8 m，底板取12.9 m，即高度取30.7 m;对巷道走向没有具体要求，为考虑模拟过程考察锚杆间排距对支护效果的影响，取20 m，因此模型的尺寸为55 m×30.7 m×20 m。模型共包含14个岩层。模型单元划分如图1所示［1-4］。

图1 曙光煤矿1212运输巷FLAC3D模型

3 支护方案模拟研究

在特定的客观条件下，锚杆支护效果与锚杆长度、锚杆直径、锚杆间排距、钢带和金属网联合支护、锚索长度等多个因素有关。这里主要考察锚杆长度、间排距、锚索对支护效果的影响。

3.1 锚杆长度分析

采用单因素考察法，其他支护参数相同，改变锚杆长度，考察巷道围岩变形和应力分布情况。顶板采用直径22 mm的左旋高强螺纹钢锚杆，配合锚索、钢带和金属网;两帮采用直径16 mm的A3圆钢锚杆，配合钢带和金属网，顶板和两帮锚杆间排距均取900 mm×1 000 mm。根据工程类比法提出的支护参数，具体模拟方案见表1。

表1 锚杆长度分析模拟方案 m

模拟结果显示，巷道围岩位移云图分布规律相似。水平位移主要出现在两帮，并且最大应力位于巷道两帮中部靠上的位置。垂直位移主要存在于巷道顶板和底板，巷道顶板下沉量最大位置位于顶板中部，且顶板下沉量大于底鼓量，说明围岩自重应力对围岩变形影响较大。方案一的围岩位移云图如图2所示。

图2 方案一巷道围岩位移云图

为了考察不同锚杆长度对支护效果的影响，对各方案的巷道两帮围岩最大水平位移和顶底板的最大垂直位移进行了统计，如表2所示。可以看出，随着锚杆长度的增加，两帮移近量先是呈线性下降，锚杆长度大于2.6 m之后不再有明显的变化。因此，两帮锚杆的长度以不超过2.6 m为宜。随着锚杆长度的增加，顶板下沉量也是先呈线性下降，锚杆长度大于2.4 m之后不再有明显变化，因此，顶板锚杆长度以不超过2.4 m为宜。

表2 不同锚杆长度下围岩最大变形量 mm

通过上述分析可知，单纯增加锚杆长度对控制巷道围岩变形有一定的作用，但当锚杆达到一定长度之后，围岩最大变形量不再有明显的变化。

3.2 锚杆间排距分析

根据巷道断面尺寸，模拟了巷道顶板和两帮锚杆不同间排距的9种方案，具体参数见表3。

表3 锚杆间排距模拟方案

根据模拟结果统计了9种方案下巷道围岩的最大水平位移量和最大垂直位移量，如表4所示。随着锚杆间排距的增大，巷道两帮和顶板的最大位移量都有所增大，但变化不大，巷道底鼓量基本不变。因此，从控制巷道最大变形量的角度出发，单纯增加锚杆间排距意义不大。

表4 不同锚杆间排距下巷道最大位移量 mm

图3和图4分别为方案1和方案9的巷道围岩水平位移云图和垂直位移云图。不同锚杆间排距下围岩的位移云图分布规律是相同的，最大位移量都出现在巷道两帮的中间或顶底板中间。从表4的统计数据可知，减小锚杆间排距对控制巷道围岩的最大位移量有限，但从围岩位移云图中可以看出，在一定深度的围岩内，位移量可相差10 mm，这在实际巷道支护中是重要的。模拟的巷道围岩是均质的连续体，且不能模拟断裂和脱落等情况，和实际岩体有很大区别。实际支护中表面围岩变形后如不采取相应措施会脱落或断裂，继而导致围岩变形不断向深部发展，不利于保持围岩稳定性。因此，保证一定的锚杆间排距对维持巷道围岩稳定性有重要作用。

图3 不同间排距下的围岩水平位移云图

图4 不同间排距下的围岩垂直位移云图

3.3 锚索作用分析

为考察锚索长度对支护效果的影响，在锚索间排距为3 000 mm×950 mm条件下，分别模拟锚索长度为5 m，6 m，7 m，8 m，9 m五种长度。

统计五种锚索长度下巷道围岩最大水平位移量和垂直位移量，如表5所示。围岩最大位移量基本没有变化，由此说明，在锚杆+钢带联合支护作用下，增加锚索或增加锚索长度对控制围岩最大位移量没有效果。图5和图6为锚索长5 m和锚索长9 m情况下围岩水平位移云图和垂直位移云图，位移分布和位移量几乎完全一致。

表5 不同锚索长度下巷道围岩最大位移量 mm

图5 不同锚索长度下围岩水平位移云图

图6 不同锚索长度下围岩垂直位移云图

增加锚索以后围岩位移基本没有改变是受多个因素影响的。因为模拟中的材料是均质的且不能产生离层，锚索的作用不能够得到有效发挥;另外，锚杆和钢带联合支护已经把围岩位移和应力状态控制在良好的水平，锚索的作用也在一定程度上受限制不能发挥。在实际支护过程中，锚索的主要作用是补强支护，防止浅部围岩离层产生冒顶，起到预防事故的作用。锚索的长度只需要满足把锚杆支护体系悬吊于上部稳定岩层的条件即可。

4 结语

1)通过对6种不同长度的锚杆的FLAC模拟分析，得出锚杆长度越长，巷道的两帮移近、顶板底板移近也越小，通过比较顶板锚杆长度为2.4 m，两帮锚杆长度为2.2 m(方案4)时，围岩最大变形量比较稳定，再增加锚杆长度，围岩变形量不再有明显的变化。2)通过对9种相同长度，不同间排距的锚杆的FLAC模拟分析，得出改变锚杆的间排距对巷道围岩应力分布和最大位移量的影响有限，但保证一定的锚杆间排距对维持巷道围岩稳定性有重要作用。3)增加锚索以后围岩位移和应力状态虽然基本没有什么变化，但是锚索对补强支护和预防冒顶事故有着非常积极的作用。

［1］薛华俊，宋建成，李中州，等.深井岩巷掘进中的围岩应力场的数值分析［J］.中国矿业，2013，22(5):83-87.

［2］陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.

［3］王茂源，薛华俊，白晓生，等.基于FLAC3D的煤巷支护方案优化及应用［J］.中国煤炭，2012，38(9):40-42.

［4］何满潮.软岩巷道工程概论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1993.