徐青云 張 磊 魯 杰 李永明 譚 云

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西省大同市，037003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116）

1 概況

棗園煤礦23081機(jī)巷所在煤層富含瓦斯且透氣性低，煤體結(jié)構(gòu)松散破碎，煤體膠結(jié)程度低，頂板巖層裂隙發(fā)育、軟弱夾層較多，整體穩(wěn)定性差。在巷道的掘進(jìn)過(guò)程中，極易發(fā)生煤體片幫、垮落、頂板垮冒等安全問(wèn)題，巷道圍巖變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，變形量難以控制，屬典型的高瓦斯松散煤體復(fù)合頂煤巷。

圖1 巷道布置層位示意圖

23081機(jī)巷所在煤層傾角18°～21°，平均19.5°。23081工作面主采二1煤層，根據(jù)工作面臨近鉆孔及23022工作面、23032工作面實(shí)際揭露煤層情況分析，工作面煤層厚度最大5.03m，最小4.5m，平均厚度為4.6m，煤層堅(jiān)固性系數(shù)約0.1，為典型的松散煤體，巷道布置層位如圖1所示。

2 模型建立

根據(jù)棗園煤業(yè)23081機(jī)巷的地質(zhì)條件，對(duì)不同規(guī)格、不同排距的錨桿錨索支護(hù)效果進(jìn)行模擬，采用FLAC3D 模擬軟件，模型邊界條件上部邊界為應(yīng)力邊界，其余5個(gè)面為固定邊界，采用摩爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）模型作為本構(gòu)模型。綜合礦井現(xiàn)有地質(zhì)資料、巷道尺寸、現(xiàn)有礦壓研究成果等因素確定本模型尺寸為50m×20m×38.6m，共劃分48840個(gè)網(wǎng)格和53760個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中巖石密度取平均密度2500kg／m3，具體巖層劃分及力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型力學(xué)參數(shù)

3 支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬確定

3.1 錨桿支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)棗園煤業(yè)現(xiàn)有巷道支護(hù)狀況和巷道實(shí)際情況，模型采用全斷面錨桿支護(hù)，每個(gè)支護(hù)斷面布置方式相同，針對(duì)不同規(guī)格錨桿進(jìn)行數(shù)值模擬比較，選取支護(hù)效果與經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的錨桿規(guī)格。支護(hù)斷面頂板采用6根錨桿，方案一、方案二和方案三錨桿 分 別 為?20 mm ×2000 mm、?20 mm ×2200mm、?20 mm×2400 mm，錨桿間距800 mm；低幫采用3 根錨桿，錨桿間距850 mm；高幫采用5 根錨桿，錨桿間距800 mm；錨桿排距600mm。模擬3種支護(hù)方案，得到3種規(guī)格的錨桿支護(hù)下巷道圍巖位移規(guī)律曲線，見(jiàn)圖2。

圖2顯示3種錨桿支護(hù)方案頂?shù)装逑鄬?duì)移近量方案一為326 mm、方案二為276 mm、方案三為235 mm，兩幫相對(duì)移近量分別為551 mm、541mm、526mm。可見(jiàn)隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，圍巖的變形量也隨之減少。因此，采用較長(zhǎng)長(zhǎng)度的錨桿有利于巷道圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。但從經(jīng)濟(jì)和施工的角度分析，對(duì)于松散的煤幫，隨著孔深的加大，成孔質(zhì)量難以保證，進(jìn)而影響施工質(zhì)量與進(jìn)度；另外，作為回采巷道23081機(jī)巷服務(wù)時(shí)間相對(duì)較短。綜合分析各種條件，23081 機(jī)巷頂板宜選用?20 mm×2400 mm 的錨桿支護(hù)，而兩幫宜選用?20 mm×2000mm 的錨桿支護(hù)。

圖2 不同規(guī)格錨桿支護(hù)圍巖位移

根據(jù)選好的錨桿，模擬選取錨桿排距，每支護(hù)斷面頂板布置規(guī)格?20mm×2400 mm 的錨桿6根，3個(gè)方案錨桿排距分別為800 mm、700 mm、600 mm，錨桿間距800 mm；低幫采用規(guī)格?20mm×2000 mm 的錨桿3 根，錨桿間距850 mm；高幫采用規(guī)格?20 mm×2000 mm 的錨桿5根，錨桿間距800mm。得到3種規(guī)格的錨桿支護(hù)下巷道圍位移規(guī)律曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 錨桿支護(hù)布置方案圍巖位移

圖3 顯示3 種不同錨桿排距800 mm、700mm、600mm 支護(hù)下，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量分別為404mm、352 mm、272 mm，兩幫相對(duì)移近量分別為983 mm、705 mm、635 mm。可見(jiàn)，減小排距可有效降低圍巖的變形量，尤其是降低頂?shù)装宓南鄬?duì)移近量，強(qiáng)化了頂板的安全管理。對(duì)于松散煤體復(fù)合頂巷道，頂板自身力學(xué)性能較差，已發(fā)生彎曲下沉甚至一定程度的破碎，同時(shí)兩幫松散的煤體對(duì)頂板的支撐能力較差，加劇了頂板的變形破壞。因此，強(qiáng)化巷道頂板的控制對(duì)維護(hù)松散煤體復(fù)合頂巷道至關(guān)重要。采用較小排距的錨桿支護(hù)，減小了掘進(jìn)過(guò)程中懸頂面積，及時(shí)向頂板提供永久支護(hù)，加強(qiáng)了對(duì)頂板的控制。雖然較小的間排距造成了成本的增加，但相對(duì)于巷道因大變形翻修的成本仍是很低的。通過(guò)對(duì)比分析，采用600mm 排距在支護(hù)效果和經(jīng)濟(jì)效益上都具有明顯優(yōu)勢(shì)，宜作為支護(hù)方案中的錨桿排距。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)確定

從錨桿支護(hù)參數(shù)的模擬中可以看出，僅僅依靠錨桿支護(hù)巷道淺部圍巖塑性區(qū)范圍較大，圍巖自身承載能力較低，導(dǎo)致圍巖變形量較大。因此，在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，需要通過(guò)施工頂板錨索和高幫錨索梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)以控制巷道圍巖變形，維護(hù)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

根據(jù)選好的錨桿規(guī)格和間距，模擬確定錨索規(guī)格，3 個(gè)方案錨索規(guī)格分別為?18.9 mm×5300mm、?18.9 mm×7300 mm、?18.9 mm×8300mm，錨桿按照上述已確定的規(guī)格及排列，錨索布置于兩排錨桿之間，每排錨索間距1600mm，排距1200mm。采用2-0-2方式布置錨索加固頂板，對(duì)3種不同規(guī)格的錨索進(jìn)行模擬比較分析，選取支護(hù)效果與經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)方案。

模擬3 種規(guī)格錨索?18.9 mm×5300mm、?18.9mm×7300mm、?18.9 mm×8300mm 支護(hù)下，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量分別為237mm、211mm、182 mm，兩幫相對(duì)移近量分別為453 mm、393mm、339mm。錨索對(duì)于頂?shù)装鍑鷰r變形的控制效果較為明顯，巷道位移量大幅下降。錨索長(zhǎng)度的改變對(duì)頂?shù)装逑鄬?duì)移近量的控制也有較大程度的影響，隨著錨索長(zhǎng)度的增加，頂板的下沉量有逐漸減小的趨勢(shì)，頂板下沉量得到控制之后也相應(yīng)地改善了底板和兩幫的受力狀態(tài)，從而使巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)的變形得到了控制。因此，采用?18.9mm×8300mm 錨索是較為合理的選擇。

在確定錨索規(guī)格為?18.9mm×8300mm，根據(jù)棗園煤礦23081 機(jī)巷的圍巖條件，設(shè)計(jì)3 個(gè)方案，第一方案錨索布置為2-0-0-2，排距1800 mm；第二方案錨索布置2-0-2，排距1200mm；第三方案錨索布置2-2-2，排距600 mm。在上述模擬所得結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)手段，按3種錨索布置方案，對(duì)不同排距的錨索支護(hù)方式進(jìn)行模擬分析，選取支護(hù)效果較好且經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)的方案。

模擬結(jié)果表明，第一、第二和第三種方案的頂?shù)装逑鄬?duì)位移分別為210 mm、182 mm、161mm，兩幫相對(duì)位移分別為392 mm、339 mm、281mm。單從對(duì)巷道圍巖變形量的控制角度，減小錨索間距有利于巷道圍巖穩(wěn)定性的控制，但考慮施工進(jìn)度和支護(hù)成本，過(guò)度增加錨索所獲得的效益和增加的支護(hù)成本不相協(xié)調(diào)。3 種方案中，2-0-2間距1200mm 布置錨索既可得到較好支護(hù)效果，又抑制了過(guò)高的支護(hù)成本，是較為合理的頂板錨索布置方案。

4 23081機(jī)巷支護(hù)方案

設(shè)計(jì)23081機(jī)巷斷面為斜頂矩形，全斷面錨桿（索）支護(hù)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 23081機(jī)巷支護(hù)參數(shù)圖

頂板采用6根規(guī)格為?20mm×2400mm 的左旋全螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿，錨桿間排距800mm×600mm，每根錨桿配套M10托盤(pán)。高幫采用5根規(guī)格為?20mm×2000mm 的左旋全螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿支護(hù)，錨桿間排距800mm×600mm，每根錨桿配套M10托盤(pán)，左幫錨桿與水平方向夾角約10°，右?guī)湾^桿向與水平方向夾角約20°。

低幫采用3根規(guī)格為?20mm×2000mm 的左旋全螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿支護(hù)。錨桿間排距850mm×600 mm，每根錨桿配套M10 托盤(pán)，底角錨桿與水平方向夾角約30°。

巷道頂板按2-0-2形式布置2根單體長(zhǎng)錨索加強(qiáng)支護(hù)，長(zhǎng)錨索規(guī)格為?18.9 mm×8300 mm，配合規(guī)格為400mm×400mm×12mm 及200mm×200mm×10mm 雙托盤(pán) （平墊鋼板）使用；單體錨索布置時(shí)向高幫方向帶5°左右的迎山角。每根錨索配6節(jié)ZK2335型樹(shù)脂錨固劑，錨索預(yù)緊力不低于80kN，錨固力不低于150kN。

5 結(jié)論

根據(jù)棗園煤礦23081 機(jī)巷地質(zhì)條件，利用FLAC3D 建立了數(shù)值模擬模型，分別對(duì)不同的錨桿（索）參數(shù)進(jìn)行了模擬比較，得到以下結(jié)論：

（1）錨桿長(zhǎng)度的增加，加厚巷道淺表的錨固層，強(qiáng)化了破碎區(qū)和部分塑性區(qū)圍巖的強(qiáng)度，有利于改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，有利于圍巖變形量的控制，但結(jié)合巷道的實(shí)際情況頂板宜采用2400 mm長(zhǎng)錨桿，兩幫宜采用2000mm 長(zhǎng)錨桿。

（2）錨桿排距一定范圍內(nèi)的減小，加強(qiáng)了對(duì)淺表破碎圍巖的支護(hù)阻力，有利于巷道圍巖穩(wěn)定性的控制，同時(shí)，考慮到軟弱復(fù)合頂在高應(yīng)力作用下易發(fā)生離層破碎，所以此類(lèi)巷道選擇600mm 作為錨桿排距。

（3）由于復(fù)合頂厚度較大，采用長(zhǎng)8300 mm的錨索，錨索間距為1200mm。

（4）工業(yè)性試驗(yàn)選取23081機(jī)巷100m 試驗(yàn)巷段布置3個(gè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示試驗(yàn)巷道在掘進(jìn)期間巷道圍巖穩(wěn)定性較好，在掘進(jìn)影響穩(wěn)定期間巷道圍巖變形量較小，巷道成型良好，高幫無(wú)明顯鼓出，支護(hù)方案較為合理。

［1］ 何滿潮.煤礦軟巖工程技術(shù)現(xiàn)狀及展望 ［J］.中國(guó)煤炭，1998 （6）

［2］ 張小濤，竇林名，李志華 .煤巖體蠕變突變模型［J］.中國(guó)煤炭，2005（1）

［3］ 閆少宏.大采高綜放開(kāi)采煤壁片幫冒頂機(jī)理與控制途徑研究 ［J］.煤礦開(kāi)采，2008（4）

［4］ 孫國(guó)文，陳素娟.高應(yīng)力軟巖條件下煤礦巷道支護(hù)研究與實(shí)踐 ［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008（1）

［5］ 錢(qián)鳴高等.礦山壓力與巖層控制 ［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［6］ 康紅普，王金華，林健.煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010 （11）

［7］ 康紅普.煤礦預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.煤礦開(kāi)采，2011（3）

［8］ 康紅普.深部煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與實(shí)踐 ［J］.煤礦開(kāi)采，2008（1）

［9］ 朱潤(rùn)生.極近距離煤層回采巷道合理位置確定與支護(hù)技術(shù) ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012（4）

［10］ 于斌.高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)及在大斷面煤巷中的應(yīng)用 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（8）

［11］ 平朔礦區(qū)近距離煤層采空區(qū)下巷道支護(hù)技術(shù)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2014（5）