盘区巷道合理支护选型研究

李恒信

（山西大同同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037000）

随着开采深度的不断增加，巷道围岩逐渐显现出压力大、变形量大、难于维护的特点[1-4]。针对深部回采巷道所表现出的明显大变形、流变特性、高地应力等特征，目前虽多采用锚杆锚索网联合支护，但支护效果各有不同，支护效果的优劣取决于特定环境下具有针对性的最优支护方案。回采巷道在矿井生产中量大，服务年限相对较短，近年来断面逐渐加大且受采动影响大，如何维持回采巷道在生产期间的稳定性，关系到矿井安全生产和经济效益。本文以晋华宫煤矿为工程背景，运用数值模拟对不同支护方式及支护参数进行了研究，研究成果为类似条件下巷道支护提供了一定的参考。

1 巷道概况

9#层301盘区皮带巷延伸巷道设计为矩形断面，宽×高=4.5m×2.7m。巷道沿9#煤层顶板起底的方式掘进，走向长度390.5m，平均煤厚1.4m。掘进时，巷道北帮与原皮带巷道北帮对齐，巷道缩南帮掘进，方位角270°。掘进时拟采用锚杆、锚索配合W型钢带联合支护顶板，护帮采用锚杆W型钢带支护；采用滑移式前探梁临时支护，前探梁与工作面顶板之间采用1.2m长板皮接顶，空隙处用木楔背牢。

2 数值模拟

数值模拟方案主要针对锚杆-锚索联合支护和锚索桁架、锚杆共同支护两个方案。

2.1 锚杆-锚索联合支护

巷道锚杆、锚索联合支护方案采用大直径、高强度锚杆(索)联合支护，支护布置如图1所示。锚杆形式和规格：杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为 BHRB500，长度 2.0m，杆尾螺纹为M24，螺纹长度 100mm。锚杆钻孔直径为 30mm。

锚杆布置：锚杆排距1000mm，每排布置15根锚杆。锚杆间距 1000mm(顶板)、900mm(两帮)。

锚杆角度：角锚杆和帮锚杆与巷道壁面呈15°打设，其余全部垂直巷道壁面打设。

锚固方式：树脂端部锚固，采用两支低粘度锚固剂，一支规格为 K2550，另一支规格为 M2575，锚固长度为 500mm。锚杆预紧力80kN。

锚索布置：顶板锚索间距3000mm，排距800mm，帮部锚索间距2700mm，排距800mm。

图1 锚杆、锚索联合支护方案（mm）

2.2 预应力锚索桁架、锚杆联合支护

巷道锚索桁架、锚杆联合支护方案采用大直径、高强度锚杆(索)联合支护，锚杆、锚索支护参数及布置如图2所示。

图2 锚索桁架、锚杆联合支护方案（mm）

（1）锚索桁架布置

锚索桁架形式和规格：锚索桁架采用Φ17.8mm、长度6000mm的19丝高强度高延伸率预应力钢绞线，锚索眼深5m。

锚索桁架布置：锚索桁架排距1000mm，每排分别在顶板和两帮布置3组锚索桁架。顶板锚索桁架系统的底部跨度为4.0m，锚索孔口距巷道两帮0.5m；帮部锚索桁架系统的跨度为3.6m，锚索孔口距巷道壁帮0.2m；锚索钻孔与铅垂线的夹角为25°。锚索预紧力160kN。

（2）锚杆布置

锚杆形式和规格：杆体为Ф22左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为BHRB500，长度2.0m，杆尾螺纹为M24，螺纹长度100mm。锚杆钻孔直径30mm。

锚杆布置：锚杆排距1000mm，每排布置7根锚杆。锚杆间距2000mm(顶板)、1600mm(两帮)。

锚杆角度：全部垂直巷道壁面打设。

锚固方式：树脂端部锚固，采用两支低粘度锚固剂，一支规格K2550，另一支规格M2575，锚固长度为500mm。锚杆预紧力80kN。

2.3 模型建立

根据巷道开挖造成的应力分布影响范围，建立模型尺寸为：60m×40m×60m。模型共划分为192000个网格和203603个节点。假设基本顶以上按均布载荷布置，垂直应力按上覆岩层重量计算，水平应力取垂直应力的1.1倍；垂直应力为25.95MPa。 数值模拟分析模型建立完成并给定边界条件后，模型达到预设收敛参数后计算停止。此时模型内部应力即为初始地应力，将模型自重平衡过程中的位移归零并建立支护单元后，实施开挖。锚杆、锚索的支护均采用FLAC3D内置的锚索单元(cable)实现。为了避免先开挖后支护造成的巷道变形量增大，因而采用开挖支护同步进行计算模式，开挖通过定义空单元(null)来实现，所建模型如图3所示。

图3 数值计算模型图

3 计算结果分析

对两种支护方案进行稳定性分析。

（1）垂直应力分布情况

垂直应力的分布情况及大小可以反映巷道围岩的应力状态。通过查看不同支护方案的巷道围岩垂直应力的分布情况，可以分析巷道围岩稳定性及支护方案对应力场的改变情况。不同支护方案巷道垂直应力的分布如图4所示。图4(a)所示，巷道在锚杆、锚索联合支护条件下，巷道周边2.0m深度围岩的垂直应力为2.0～8.0MPa，其应力峰值在两帮外达到34.0MPa。如图4(b)所示，锚索桁架、锚杆联合支护在巷道周边围岩的垂直应力也为2.0～8.0MPa，但范围较(a)小，应力峰值与(a)几乎相同，说明在本条件下采用锚索桁架支护方案对垂直应力改善具有一定的优越性。

图4 不同支护方案垂直方向应力云图

（2）水平应力分布情况

不同支护方案下巷道水平应力分布如图5所示。图5(a)所示，巷道在锚杆、锚索联合支护条件下，两帮中部分布较大范围的水平应力为2.0～8.0MPa区域，水平应力峰值达到38.0MPa。图5(b)所示，锚索桁架、锚杆联合支护在巷道两帮水平应力也为2.0～8.0MPa，但巷道顶板壁面附近水平应力明显改善，即预应力梁的效应明显，说明采用锚索桁架、锚杆支护方案对巷道顶板支护效果明显。

（3）垂直位移分析

如图6所示，在采用不同支护方案情况下，巷道底板位移量均处于较小水平，最大位移量在2.0cm左右，巷道底板稳定。采用锚杆、锚索联合支护时顶板最大垂直位移量为9.5cm，而采用锚索桁架、锚杆支护顶板最大位移量为3.1cm，显然锚索桁架、锚杆支护在对巷道顶板控制上有很大优势。

图5 不同支护方案水平方向应力云图

图6 不同支护方案竖直方向位移云图

4 结论

合理的支护方案能有效地控制围岩的稳定性。在晋华宫煤矿巷道条件下，采用锚索桁架-锚杆联合支护与采用锚杆-锚索联合支护方案相比，两帮移近量减少了54%；顶底板移近量减少了67%，说明选用锚索桁架-锚杆联合支护方案是合理的。