南梁煤矿风氧化带工作面顺槽支护的数值模拟研究

张秉涛，任 伟

（1.大同煤矿集团公司忻州窑矿，山西 大同 037021；2.大同煤矿集团公司 通风处，山西 大同 037003）

1 工程概况

目前，巷道围岩控制技术已较成熟，但在一些特殊较差地质条件巷道特别是工作面顺槽，根据经验选择的支护方案及参数，很难实现巷道围岩稳定，其变形大、破坏严重，严重制约着安全高效开采。针对南梁煤矿风氧化带20204工作面顺槽原支护方案难以维护巷道围岩的稳定性，根据实际开采条件，利用数值模拟方法，分析巷道围岩最大主应力分布特征与围岩位移变化规律，提出了新的合理支护方案和参数，克服了南梁矿原有支护方式和参数选择的盲目性，以很好地解决其支护问题，并为类似井田工作面顺槽支护方案及参数参考借鉴。

2 数值模型的建立

2.1 模拟软件

采用美国Itasca公司的FLAC大型岩土工程模拟软件，其有10种弹塑性材料本构模型，5种计算模式，可模拟复杂的岩土工程或力学问题。

2.2 计算参数

1）采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩体的破坏：

式中：σ1、σ3分别是最大和最小主应力；c，φ 分别是粘结力和摩擦角。当fs＞0时，材料将发生剪切破坏。通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因此根据抗拉强度准则（σ3≥σT）判断岩体是否产生拉破坏。

模拟的岩石力学参数，如表1所示。

表1 岩石力学参数

2）原支护方案的参数。矩形巷道采用不可缩工字钢棚子和锚网联合支护。锚网参数：顶部采用φ16 mm×2 200 mm型左旋螺纹钢锚杆，间排距900 mm×1 100 mm，共5根锚杆，顶部靠两帮第一根锚杆与铅锤线成20°夹角，采用Q235钢托板，规格100 mm×100 mm×8 mm。采用Z2360高效速凝型树脂锚固剂，锚固力不小于50 kN。锚托梁采用φ16 mm圆钢焊成，钢筋梯子梁长4.0 m。巷道顶部铺设φ6 mm钢筋网，网孔 100 mm×100 mm。

3）优化方案支护的参数。顶部微拱形巷道，采用的可缩工字钢棚子和锚网联合支护。锚网参数：顶部采用φ16 mm×2 200 mm型左旋螺纹钢锚杆，间排距900 mm×1 100 mm，共5根锚杆，顶部靠两帮第一根锚杆与铅锤线成20°夹角。采用Q235钢托板，规格100 mm×100 mm×8 mm。采用 Z2360高效速凝型树脂锚固剂，锚固力不小于50 kN。锚托梁采用φ16 mm圆钢焊成，钢梯子梁长4.0 m。巷道顶部铺设φ6钢筋网，网孔100 mm×100 mm。

2.3 数值模型

根据南梁煤矿地质资料，考虑计算需要，确定数值计算力学模型。模拟基岩平均厚度50 m，土层平均厚度50 m为等效载荷，宽×高=60 m×50 m，采用Mohr-Coulomb plasticity model本构模型，采用大应变变形模式，固定模型左右边界及下边界，模型上边界施加均布载荷，等效岩层自重载荷，模型由94 000个单元组成。

3 数值模拟结果分析

3.1 巷道围岩最大主应力特征分析

图1 原支护方案最大主应力分布云图

图2 优化支护方案最大主应力分布云图

图1为原支护方案支护一个月、两个月、三个月后巷道围岩的最大主应力分布云图。①原方案支护一个月后，由于巷道围岩在刚性支护作用下，巷道围岩几乎都处于原岩应力状态，应力约2 MPa左右；巷道的四角与两帮深部岩体有小范围高应力区域，应力约4 MPa左右；在巷道周围的工字钢支架上，应力达12.5 MPa。②支护两个月后，巷道顶底板围岩应力分布状态与大小均未发生变化，但在巷道两帮的中部出现了小范围应力释放，说明帮部的刚性支护受到围岩侧向挤压开始出现了屈服破坏。③支护三个月后，帮部的应力释放区更明显，同时受到帮部应力释放影响，顶底板亦出现了应力释放区，并在巷道的帮深部煤体中出现了应力集中区，且呈非对称分布，最大应力处于巷道右侧，应力达7 MPa。

图2采用优化支护方案一个月、两个月、三个月后巷道围岩的最大主应力分布云图。据图分析可得，围岩应力均处于较高的范围3 MPa，因此，“锚网+可缩性微拱支架”形成了一个完整的力学支护体系。其中，工字钢对浅部围岩的加固作用较明显，加之锚杆对次深部围岩耦合支护作用，使得巷道围岩形成一个较大的加固范围，从而提高了围岩应力，维持了巷道稳定。

3.2 巷道围岩位移变化分析

分别对原支护方案支护一个月、两个月、三个月后巷道围岩位移变化曲线图分析。巷道围岩应力监测点位移变化特征表明，随着支护时间的延长，巷道顶板和两帮位移经历了增加-减缓-稳定三个过程；最大位移0.4 m左右，处于巷道底板，两帮的变形较底板变形小；巷道底板在三个月的位移监测中，一直处于增加状态，两帮增加较明显。

分别对支护方案支护一个月、两个月、三个月后巷道围岩位移变化分析。巷道位移明显减小，两帮最大移近量0.015 m左右，顶底板移近量为0.15 m左右，顶板变形远小于底板变形，底板中间范围有较大底臌。

4 结论

针对南梁煤矿20204工作面顺槽原支护方案难以维护巷道围岩的稳定性，分析之后，确定了优化支护方案的可行性结论：①锚网+可缩性微拱支架”形成了一个完整的力学支护体系。工字钢对浅部围岩的加固作用较明显，加之锚杆对次深部围岩耦合支护作用，使得巷道围岩形成了较大的加固范围，从而提高了围岩的应力值，维持了巷道稳定。②采用优化支护方案，巷道位移量明显减小，两帮最大移近量0.015 m左右，顶底板移近量0.15 m左右，顶板变形远小于底板变形，底板中间范围有较大底臌。③针对南梁矿风氧化带条件下20204工作面顺槽提出的优化方案能解决现场的支护问题。

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