2102运输巷围岩支护技术研究

牛昌盛

(阳泉市大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000)

1 工程背景

某矿21采区内2号煤层厚度0.95～1.6m，平均1.3m，属薄～中厚煤层，不含夹矸，结构简单，层位稳定，顶板为黑色泥岩，底板为砂质泥岩。该煤层由于整合前小窑开采破坏，存有小范围采空区及老空旧巷。主要含水层为第四系松散孔隙含水层，二叠系上统上石盒子组、下统下石盒子组、山西组砂岩裂隙含水层，石炭系上统太原组灰岩、砂岩裂隙含水层，奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层。

2 锚杆支护数值模拟研究

锚杆支护通过将锚固区内的锚杆和围岩整合成一个整体承载结构，不仅能够承担自身重量和变形压力，还能对外部围岩起到支承作用，限制围岩变形从而保持巷道围岩的稳定性。锚杆对煤岩体的加固作用主要是在以下三方面：

悬吊作用。锚杆支护的悬吊作用，突出的表现在直接顶较薄，老顶较坚固的情况下，锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上步稳固的岩层上，由锚杆承担软岩或危岩的重量，以达到井巷稳定的目的。

锚杆的组合梁作用。组合梁理论适用于顶板由多层小厚度连续性岩层组成的巷道，其原理是在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来，形成组合梁结构进行支护。并借助锚杆本身提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动，是防止分层在压力作用下发生整体弯曲变形，呈现出组合状态，从而提高顶板的抗弯刚度及强度。

锚杆的减跨作用。如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁，由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于增加了支点，从而减小了顶板的跨度，使顶板岩层的弯曲应力和挠度得到降低，维持了顶板稳定。

本次本次模拟相关数据如下：

2102运输巷为矩形断面，采用锚网索联合支护，掘进断面14m2，毛宽5000mm，毛高2800mm，净断面12.96m2，净宽4800mm，净高2700mm；顶锚间排距为700×1000mm，帮锚间排距为700×1000mm；两帮最上面和最下面以及顶板两边的夹角为10°；锚索间排距为2000×1400mm。

其中顶部锚杆支护：杆体为Ф20左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2200mm。锚固方式：采用1卷MSCK2370树脂锚固剂锚固，钻孔直径为28mm，设计锚固力105kN。锚杆配件：采用拱型高强度托盘，规格150×150×8mm，顶部两边采用异形托盘，规格150×150×10mm。

两帮锚杆支护：锚杆：采用MGSL∕Φ18×2200mm玻璃纤维增强塑料杆体全螺纹式树脂锚杆。锚固方式：加长锚固，采用1卷MSCK2370树脂锚固剂锚固，锚固力不低于60kN。锚杆配件：采用矿用W型钢带WX280∕3.0，规格500×250mm。具体形式如图1。

2.1 模型的建立

模型运用有限差分软件FLAC3D，以2102运输巷来进行建模。模型大小为100×100×100(长×宽×高，单位为m)，共计645000个单元。上覆岩层以均布力的形式施加，下部固定竖直方向的位移，四周边界固定水平方向的位移。岩体的具体物理力学参数如表1所示。

图1 2102运输巷断面支护示意图

表1 煤岩物理力学参数

2.2 结果及分析

FLAC3D软件对巷道进行开挖及支护模拟，提取巷道的竖直位移和水平位移云图如图2所示，以查看巷道的顶底板以及两帮的变形情况。

由图2可以看出，巷道的竖直位移和水平位移云图趋势都呈现出围岩变形非对称的破坏特征。在此支护条件下，顶板的下沉量为62mm，底鼓量为41mm，顶底板的移进量为103mm；两侧巷帮的移进量达到了73mm左右。这说明本次设计的锚杆支护方案进行了相应的巷道围护以后，巷道的变形得到了控制，整体力学性能得到了提高。本来是松散的围岩，经由锚杆作用也成了一个整体，整个巷道在开挖过程安全稳定，利于工作的进行。

图2 位移云图

为了保证锚杆能够充分发挥其作用，会在两帮的顶角处让锚杆与煤壁设置一定的夹角，以减小锚杆所受到的剪力，一次使得锚杆的抗拉强度能够充分发挥。由图3锚杆锚索的受力图可以看出，锚杆受力方向基本与锚杆长度方向一致，所以锚杆受剪切力的影响较小，不易导致锚杆的剪切破坏而失效，能够充分发挥其强度，说明锚杆与煤壁间的夹角设置合适。

图3 锚杆锚索受力图

3 现场应用

模拟结果显示该方案安全可靠，将其应用于现场实际，实际监测效果如下：

图4 巷道围岩收敛情况

由图4可以看出，2102运输巷的围岩得到了较好的控制：巷道在开挖之后，围岩的位移开始急剧变化，在10天之内上升的速度最快，在之后的40天内，上升速度开始放缓，但是仍然在上升。50天之后，围岩位移开始区域平稳，变化不再明显。在整个监测时期中，两帮的移进量都要比顶底板的移进量大。在观测结束以后，两帮的最终变形量为94mm，顶底板的移进量为62mm。在前10天，巷道刚开始开挖，原岩应力遭到破坏，巷道的顶底板和两帮快速变形，10天之后扰动效应变弱，原岩变化的速率放缓但仍然有向内变化的趋势。开挖50天以后，巷道逐渐成型，支护措施完善，巷道处于一个较为稳定的状态，此时巷道围岩几乎无变化。变形控制较好，在合理范围之内。相较于模拟来说，变形较大一些，究其原因是由于实际现场情况较为复杂导致变形也会大一些。

图5 锚杆轴力监测曲线

轴力监测结果如图5所示，结果表明：锚杆荷载在巷道内工作时，顶部锚杆轴力>帮锚杆轴力>顶角锚杆轴力。且无论是，顶部锚杆、帮锚杆亦或是顶角锚杆，随时间的增大，锚杆的轴力都会越来越大，并最终趋向于一个稳定的数值；其中顶部锚杆在达到稳定的时间要比帮部和顶板中部的锚杆达到稳定的时间要早很多。且顶板中部的锚杆承受荷载要比其它两个部位大。究其原因是因为顶板中部的锚杆发挥了悬吊作用，导致两帮的挤压作用较小，进而导致帮部的锚杆承载的力较小。顶角的作用主要是用来加固，其轴力最小。支护系统和围岩共同发挥了作用，最终锚杆轴力趋向于稳定。支护效果良好。

4 结论

(1)通过数值模拟可知，经由本次设计的锚杆支护方案进行了相应的巷道围护以后，巷道的变形得到了控制，整体力学性能得到了提高。本来是松散的围岩，经由锚杆作用也成了一个整体，整个巷道在开挖过程安全稳定，利于工作的进行。

(2)由模拟可得，巷道的竖直位移和水平位移云图趋势都呈现出围岩变形非对称的破坏特征；顶底板的移进量为103mm；两侧巷帮的移进量达到了73mm左右。锚杆与煤壁间的夹角设置合适，不易导致锚杆的剪切破坏而失效，能够充分发挥其强度。

(3)根据现场观测可知，围岩较为稳定，锚杆处于正常受力状态，没有发生结构的变形破坏，两帮变形在合理范围之内，断面收缩率满足安全生产需要。说明2102运输巷的支护设计合理可靠。