深井沿空顺槽主控支护技术数值模拟研究

马纪平 武泉林

(1.同煤集团永定庄煤业有限公司；2.山东科技大学矿业与安全工程学院)

深井沿空顺槽主控支护技术数值模拟研究

马纪平1武泉林2

(1.同煤集团永定庄煤业有限公司；2.山东科技大学矿业与安全工程学院)

以山东某矿为工程背景，对其深井沿空顺槽进行了可行性支护方案设计，并运用数值模拟方法论证了设计方案的可靠性。研究表明：选用φ20 mm×2 200 mm无纵筋螺纹钢锚杆作为顶锚杆，φ20 mm×2 000 mm无纵筋螺纹钢锚杆作为帮锚杆，锚杆间排距为800 mm×900 mm；选用φ17.8 mm×6 000 mm的左旋预应力钢绞线锚索，间排距为2 400 mm×900 mm，符合支护要求，对深井沿空顺槽支护具有一定的指导意义。

沿空顺槽 支护 数值模拟

随着矿井开采深度的不断增大，地质条件越来越复杂，巷道围岩表现出与浅部巷道不同的特点，围岩体出现明显的大变形、高应力、长时间持续蠕变等，支护强度和支护难度越来越大[1]。尤其在沿空顺槽一侧支承压力远远大于原岩应力，给支护带来了一系列的问题。本文设计了深井沿空顺槽支护参数，运用数值模拟分析了支护参数的可靠性，为以后深井沿空顺槽支护提供了可靠依据。

1 地质条件

山东某井田位于巨野煤田中北部，山东省郓城县境内。矿井设计生产能力240万t/a，为全隐蔽型井田，新生界地层厚，采用立井开拓方式。设计3个井筒，主井深度853 m，副井深度883 m，风井深度778 m，是鲁西南地区较深的矿井之一。1303顺槽煤层顶底板均有20 m左右的泥岩分布，水文地质复杂，预掘顺槽具有泄水功能。该顺槽为沿空预掘巷道，巷道受采煤工作面超前、侧向及采后支承压力的影响，采深大、地应力高，属于动压复杂条件下的沿空顺槽支护，支护难度较大。

2 支护方案设计

2.1 巷道断面

1303轨顺为矩形断面，巷道断面尺寸(荒)(宽×高)为4.6 m×3.0 m、净尺寸(宽×高)为4.1 m×2.9 m。

2.2 巷道断面支护

2.2.1 临时支护

采用4根长4 m、φ89 mm×5 mm的钢管制作吊挂式前探梁，分别吊挂在顶板巷中相邻的锚杆上，每根前探梁用3个悬吊点固定。每掘一循环，迎头作业人员在锚网支护完好的顶板下敲帮问顶，找净顶板及迎头的浮矸活石，铺设金属网并联接好。然后用前探梁托住顶网，前移至迎头，在前探梁上金属网下背实木背板。施工人员在临时支护下打设锚杆，最小控顶距不大于0.3 m，最大控顶距不大于1.9 m。

2.2.2 永久支护

根据现有的矿山地质条件和顺槽支护经验，设计1303轨顺，采用锚网索+W钢带联合支护。按悬吊理论计算锚杆[2]参数。

(1)计算锚杆长度。

(1)

式中,Ld1为顶锚杆长度，m；H1为冒落高度，m；K为安全系数，一般取K=2；L1为锚杆锚入稳定岩层深度，一般取0.5 m；L2为锚杆在巷道中的外露长度，一般取0.1 m；LB1为帮锚杆长度；B为巷道开掘宽度，取4.7 m；f为岩石坚固性系数，取3.5。

将各参数代入式(1)，计算得：Ld1=1.94 m,LB1=1.81 m.

(2)计算锚杆间、排距。

(2)

式中,Q为锚杆设计锚固力，100 kN/根；γ为被悬吊泥、砂岩的重力密度，取25.48 kN/m3。

将各参数代入式(2)，计算得a1=1.71 m.

(3)计算锚索长度。

(3)

将各参数代入式(3)，计算得L=2.54 m.

(4)计算锚索间、排距。

(4)

式中,Q′为锚索设计锚固力，120 kN/根。

将参数代入式(4)，计算得a2=1.87 m.

通过以上计算，选用φ20 mm×2 200 mm的无纵筋螺纹钢锚杆作为顶锚杆，φ20 mm×2 000 mm的无纵筋螺纹钢锚杆作为帮锚杆，锚杆间排距确定为800 mm×900 mm；选用φ17.8 mm×6 000 mm的左旋预应力钢绞线，锚索间排距为2 400 mm×900 mm，符合支护要求。

3 数值模拟软件与数值模拟

3.1 模拟软件介绍

采用FLAC3D数值模拟软件对煤柱底板应力的传播规律进行数值模拟。FLAC3D数值模拟软件是三维快速拉格朗日法分析程序，可以模拟岩土或其他材料的三维力学特性，能较好的模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏，特别适用于分析渐进破坏失稳以及模拟大变形。该软件包含11种弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度等多种计算模式，各种模式之间可以相互耦合作用[3]。

3.2 数值模拟计算结果及分析

为了验证支护方案的有效性和合理性，对巷道掘进50 m时无支护状态下和支护状态下的垂直方向位移和水平方向位移进行了模拟。如图1、图2所示。

图1 巷道掘进50 m垂直方向位移云图

图2 巷道掘进50 m水平方向位移云图

由图1可见，当巷道掘进50 m时，巷道顶板在无支护状态垂直方向最大位移量为40 cm左右，而支护状态下有35 cm左右；对比图2可知，水平方向两帮移近量相差比较明显，有27 cm左右，由此也可以证明，巷道掘进支护方案是可以满足安全生产需求的。

4 结 论

(1)根据某矿现有的矿山地质条件和1303工作面的顺槽支护经验以及计算结果，选用φ20 mm×2 200 mm 无纵筋螺纹钢锚杆作为顶锚杆，φ20 mm×2 000 mm无纵筋螺纹钢锚杆作为帮锚杆，间排距为800 mm×900 mm；选用φ17.8 mm×6 000 mm的左旋预应力钢绞线锚索，间排距为2 400 mm×900 mm，符合支护要求。

(2)为确定支护方案的有效性，模拟比较了巷道掘进50 m时，巷道顶底板和两帮在无支护和有支护条件下的垂直和水平方向的位移，进一步验证了巷道支护方案的科学有效性。

[1] 黄庆显.大埋深高应力巷道让压支护技术研究[J].中国矿业大学学报，2009(1):40-43.

[2] 李岩松.锚网喷支护技术在加固动压巷道中的应用[J].安全与健康,2004(21):33-34.

[3] 陈玉民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社，2008.

2015-04-16)

马纪平(1989—)，男，助理工程师，037000 山西省大同市恒安新区B区。