深井破碎软岩巷道支护参数设计研究

李学彬，薛华俊，杨仁树，，王茂源，李涛涛，何天宇

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

煤炭作为自然赋予人类的主要化石能源资源[1]，是我国的主要能源，储量丰富、分布广泛，在国民经济的发展中起着极其重要的作用，它是国民经济和社会发展的基础。随着人类对矿产需求量的日益增加，开采规模不断扩大，浅部矿产资源日趋枯竭，必然使人类要着眼于深部矿产的开发。深部开采问题已越来越引起人们的重视。煤矿开采深度和强度的不断增加，在高地应力、动压影响、地质构造、成岩作用及岩体成分等的影响下，一些在浅部开采中的工程灾害问题都将在深部开采中以更明显的方式表现出来，特别是软岩巷道支护成为主要技术难题之一[2]。目前国内外对软岩巷道支护没有很好的治理办法，绝大多数是在巷道开挖支护后，随着围岩和支护体的变形而进行一次次修复，直至巷道完成服务年限。因此研究如何解决软岩巷道支护问题，有效控制巷道变形，具有重要的理论意义和实践价值[3-6]。

本文结合九龙矿现有软岩巷道北二正巷地质特点和巷道特征，通过FLAC3D程序建立模型，结合巷道表面位移结果，对九龙矿北二正巷巷道支护参数进行调整，优化巷道支护方式，并通过数值模拟对原有和优化的巷道支护方式下巷道围岩稳定性进行分析，证明基于FLAC3D调整巷道围岩参数的可行性，为煤矿巷道支护优化提供一种方法。

1 工程概况

九龙煤矿位于河北省邯郸市，是由冀中能源峰峰集团有限公司管辖的年产120Mt的现代化矿井。九龙煤矿北二正巷埋深近700m，巷道围岩条件较差，属于典型的深井软岩巷道，北二正巷水平位置如图1所示。北二正巷巷道基本位于2#下煤之中，巷道顶板为细粒砂岩和砂质泥岩，底板为坚硬致密的砂质泥岩和细粒砂岩，巷道断面为直墙半圆拱形，宽4500mm，高3850mm。由于巷道围岩性质较差，围岩变形超过30%，严重影响了巷道的正常使用和安全生产[7]。

2 FLAC3D计算模型建立

结合九龙煤矿北二正巷具体地质条件，考虑煤体在变形破坏后，其残余强度随着变形的增大而降低的特殊性质，其FLAC3D计算模型，煤层采用应变软化模型，其他岩层均采用莫尔-库仑模型，尺寸为长46.6m、宽48m、厚15m， 共27168个节点和24420个单元，模型以北二正巷巷道肩部中心为原点，其上取28m，下取18.6m，左右各取24m，巷道径深取15m，计算模型如图2所示，模型参数设置如表1所示[8]。

图1 北二正巷试验巷道位置

图2 计算模型网格立体图

表1 模型材料参数表

3 支护参数优化

3.1 原支护方案

九龙煤矿北二正巷巷道断面为直墙半圆拱形，宽4500mm，高3850mm，断面面积为15.1m2，巷道采用U型钢加锚网喷支护，U36型钢排距为600mm，锚杆采用长2000mm、直径20mm的高强螺纹钢锚杆，间排距均为600mm，喷层为厚150mm的C20混凝土，巷道原支护结构如图3所示。

3.2 优化支护方案

3.2.1 锚杆长度优化

图4为FLAC3D模型模拟北二正巷支护锚杆长度增量与围岩位移量变化关系图，由图3可知，锚杆长度变化对顶板位移影响不大，对于煤帮位移影响较大，锚杆长度增加600mm后煤帮围岩减少25mm，而对于底板当锚杆长度到达2400mm作用才较为明显。所以对顶板锚杆长度可以维持不变或略有降低，煤帮锚杆和底角锚杆长度应该增大。

3.2.2 底角锚杆角度优化

图5为FLAC3D模型模拟北二正巷支护底角锚杆倾角与围岩位移变化量关系图，由图4可知，巷道底角锚杆对于减少巷道两帮内鼓和底鼓有一定减轻作用，巷道对于底鼓防止在90°效果最好，但是考虑实际施工情况和巷道围岩整体性，巷道底角锚杆倾角在15°～30°较好。

3.2.3 锚杆预应力优化

图6为FLAC3D模型模拟北二正巷支护锚杆预应力与围岩位移变化量关系图，由图6可知，对巷道锚杆施加预应力对巷道围岩位移量减少效果明显。巷道围岩均有明显的下降，预应力在2000N时巷道煤帮位移量降低多达2.5mm，在4000N时巷道顶板位移量已不明显了，而底板和煤帮位移量又小幅度降低，在8000N时即预应力超过锚杆支护材料的承受能力时会起到反效果。所以对巷道顶板锚杆预应力为2000N，对煤帮锚杆预应力为4000N左右，效果会较好。

图3 北二正巷原支护结构

图4 锚杆长度增量与围岩位移量变化关系

图5 底角锚杆倾角与围岩位移变化量关系

图6 锚杆预应力与围岩位移变化量关系

3.2.4 喷层厚度优化

图7为FLAC3D模型模拟北二正巷喷层厚度增量与围岩位移变化量关系图，由图6可知，喷层厚度对巷道围岩位移影响比较一致，喷层厚度在150mm以内是巷道围岩位移量变化较小，不足2mm，喷层主要约束围岩，防止破碎岩体垮落，当到达180mm，喷层厚度和刚度均有增加，能有效与锚杆共同作用限制巷道变形，围岩位移量明显减小，接近6mm，所以喷层厚度应该大于150mm效果较为明显。

图7 喷层厚度增量与围岩位移变化量关系

3.2.5 锚索数量优化

图8为FLAC3D模型模拟北二正巷巷道截面的锚索个数与围岩位移变化量关系图，由图8可知，巷道截面内安装7000mm长的锚索时，当在巷道顶板中心安装1～2根，顶板下沉量持续下降，底板和两帮的位移量不太稳定。当巷道中心安装3根锚索时，顶板持续下沉，煤帮位移量明显下降，低估变化不大，所以在巷道中心安装3根锚索即三等分点分别安装锚索。

图8 巷道截面的锚索个数与围岩位移变化量关系

3.2.6 优化的巷道支护方案

通过以上分析，结合现场经验和条件，对九龙煤矿北二正巷巷道支护采取一定优化措施。

1) 对于底角锚杆采用L2400×Φ20的等强度右旋螺纹钢锚杆，锚杆倾角为30°，锚固方式为全长锚固；对于煤帮锚杆采用L2200×Φ20等强度右旋螺纹钢锚杆，锚固方式为全长锚固，施加4000N的锚杆预应力；对于顶板采用现有的L2000×Φ20等强度右旋螺纹钢锚杆，施加2000N的锚杆预应力。

2) 喷层对于巷道来说是全断面支护，当喷层大于150mm时，刚性支护效果极为明显，所以喷层厚度不小于150mm，采用厚度应为180mm。

3) 在巷道截面内在巷道三等分点处安装3根等分锚索，锚索长度为7000mm，锚索排距为2000mm，间距约为2000mm。优化的巷道支护结构如图9所示。

图9 优化的巷道支护结构

4 优化效果分析

4.1 掘进平衡巷道围岩位移分析

图10为FLAC3D模型模拟北二正巷原有和优化支护下掘进平衡时围岩位移图，由图10(a)图可知，在原有支护条件下，巷道开挖平衡后，巷道底板岩体破坏程度最大，深部离层现象明显，巷道底鼓最为明显，最大值为0.315m，两帮内鼓次之，约为0.175～0.2m，顶板下沉量小，约为0.075～0.1m。由图10(b)图可知，优化的巷道支护方式下，巷道开挖平衡后，巷道底板岩体破坏程度减轻，深部离层程度降低，巷道底鼓程度明显降低，底鼓最大值为0.1197m，两帮内鼓也相应的减少，约为0.10～0.11m，顶板下沉量也减小，约为0.07～0.08m。

4.2 回采平衡巷道围岩位移分析

图11为FLAC3D模型模拟北二正巷原有和优化支护下回采平衡时围岩位移图。由图11(a)可知，在原支护方式下，到达回采平衡后，巷道底板破坏程度进一步加大，底鼓量增加明显，底鼓最大值约为0.6m，顶板下沉急剧增加，范围大，巷道围岩四周来压，位移收缩量0.3～0.4m。由图11(b)可知，在原支护方式下，到达回采平衡后，顶板下沉量有所减少，最大值为0.23m，两帮位移和底鼓程度相对明显降低，两帮位移和底鼓的最大值约为0.2m。

图10 原有(a)和优化(b)支护下掘进平衡时围岩位移

图11 原有(a)和优化(b)支护下回采平衡时围岩位移

通过FLAC3D数值模拟，比较原有支护和优化支护掘进和回采平衡时巷道围岩位移分析，优化的巷道支护方式进一步约束围岩变形，维持巷道围岩的稳定。

5 结论

通过对FLAC3D数值模拟调整九龙矿北二正巷巷道支护参数的研究可以得出以下结论。

1) 巷道顶板、帮部、底角锚杆分别采用长2000mm、2200mm、2400mm的Φ20等强度右旋螺纹钢锚杆、喷层厚度180mm、锚索长7000mm，间排距2000×2000mm时，为较优支护方案。

2) 通过掘进和回采平衡条件巷道围岩位移分析，优化的巷道支护方案，能保证巷道在掘进和回采时巷道围岩的稳定性，将围岩变形控制在合理范围内，满足煤矿安全和正常生产要求。

[1]孟庆彬.深部高应力软岩巷道变形破坏机理及锚注支护技术研究[D].青岛:山东科技大学,2011.

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