李恒信

（山西大同同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

隨著開采深度的不斷增加，巷道圍巖逐漸顯現(xiàn)出壓力大、變形量大、難于維護的特點[1-4]。針對深部回采巷道所表現(xiàn)出的明顯大變形、流變特性、高地應(yīng)力等特征，目前雖多采用錨桿錨索網(wǎng)聯(lián)合支護，但支護效果各有不同，支護效果的優(yōu)劣取決于特定環(huán)境下具有針對性的最優(yōu)支護方案?；夭上锏涝诘V井生產(chǎn)中量大，服務(wù)年限相對較短，近年來斷面逐漸加大且受采動影響大，如何維持回采巷道在生產(chǎn)期間的穩(wěn)定性，關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。本文以晉華宮煤礦為工程背景，運用數(shù)值模擬對不同支護方式及支護參數(shù)進行了研究，研究成果為類似條件下巷道支護提供了一定的參考。

1 巷道概況

9#層301盤區(qū)皮帶巷延伸巷道設(shè)計為矩形斷面，寬×高=4.5m×2.7m。巷道沿9#煤層頂板起底的方式掘進，走向長度390.5m，平均煤厚1.4m。掘進時，巷道北幫與原皮帶巷道北幫對齊，巷道縮南幫掘進，方位角270°。掘進時擬采用錨桿、錨索配合W型鋼帶聯(lián)合支護頂板，護幫采用錨桿W型鋼帶支護；采用滑移式前探梁臨時支護，前探梁與工作面頂板之間采用1.2m長板皮接頂，空隙處用木楔背牢。

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬方案主要針對錨桿-錨索聯(lián)合支護和錨索桁架、錨桿共同支護兩個方案。

2.1 錨桿-錨索聯(lián)合支護

巷道錨桿、錨索聯(lián)合支護方案采用大直徑、高強度錨桿(索)聯(lián)合支護，支護布置如圖1所示。錨桿形式和規(guī)格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為 BHRB500，長度 2.0m，桿尾螺紋為M24，螺紋長度 100mm。錨桿鉆孔直徑為 30mm。

錨桿布置：錨桿排距1000mm，每排布置15根錨桿。錨桿間距 1000mm(頂板)、900mm(兩幫)。

錨桿角度：角錨桿和幫錨桿與巷道壁面呈15°打設(shè)，其余全部垂直巷道壁面打設(shè)。

錨固方式：樹脂端部錨固，采用兩支低粘度錨固劑，一支規(guī)格為 K2550，另一支規(guī)格為 M2575，錨固長度為 500mm。錨桿預(yù)緊力80kN。

錨索布置：頂板錨索間距3000mm，排距800mm，幫部錨索間距2700mm，排距800mm。

圖1 錨桿、錨索聯(lián)合支護方案（mm）

2.2 預(yù)應(yīng)力錨索桁架、錨桿聯(lián)合支護

巷道錨索桁架、錨桿聯(lián)合支護方案采用大直徑、高強度錨桿(索)聯(lián)合支護，錨桿、錨索支護參數(shù)及布置如圖2所示。

圖2 錨索桁架、錨桿聯(lián)合支護方案（mm）

（1）錨索桁架布置

錨索桁架形式和規(guī)格：錨索桁架采用Φ17.8mm、長度6000mm的19絲高強度高延伸率預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索眼深5m。

錨索桁架布置：錨索桁架排距1000mm，每排分別在頂板和兩幫布置3組錨索桁架。頂板錨索桁架系統(tǒng)的底部跨度為4.0m，錨索孔口距巷道兩幫0.5m；幫部錨索桁架系統(tǒng)的跨度為3.6m，錨索孔口距巷道壁幫0.2m；錨索鉆孔與鉛垂線的夾角為25°。錨索預(yù)緊力160kN。

（2）錨桿布置

錨桿形式和規(guī)格：桿體為Ф22左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為BHRB500，長度2.0m，桿尾螺紋為M24，螺紋長度100mm。錨桿鉆孔直徑30mm。

錨桿布置：錨桿排距1000mm，每排布置7根錨桿。錨桿間距2000mm(頂板)、1600mm(兩幫)。

錨桿角度：全部垂直巷道壁面打設(shè)。

錨固方式：樹脂端部錨固，采用兩支低粘度錨固劑，一支規(guī)格K2550，另一支規(guī)格M2575，錨固長度為500mm。錨桿預(yù)緊力80kN。

2.3 模型建立

根據(jù)巷道開挖造成的應(yīng)力分布影響范圍，建立模型尺寸為：60m×40m×60m。模型共劃分為192000個網(wǎng)格和203603個節(jié)點。假設(shè)基本頂以上按均布載荷布置，垂直應(yīng)力按上覆巖層重量計算，水平應(yīng)力取垂直應(yīng)力的1.1倍；垂直應(yīng)力為25.95MPa。 數(shù)值模擬分析模型建立完成并給定邊界條件后，模型達到預(yù)設(shè)收斂參數(shù)后計算停止。此時模型內(nèi)部應(yīng)力即為初始地應(yīng)力，將模型自重平衡過程中的位移歸零并建立支護單元后，實施開挖。錨桿、錨索的支護均采用FLAC3D內(nèi)置的錨索單元(cable)實現(xiàn)。為了避免先開挖后支護造成的巷道變形量增大，因而采用開挖支護同步進行計算模式，開挖通過定義空單元(null)來實現(xiàn)，所建模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型圖

3 計算結(jié)果分析

對兩種支護方案進行穩(wěn)定性分析。

（1）垂直應(yīng)力分布情況

垂直應(yīng)力的分布情況及大小可以反映巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。通過查看不同支護方案的巷道圍巖垂直應(yīng)力的分布情況，可以分析巷道圍巖穩(wěn)定性及支護方案對應(yīng)力場的改變情況。不同支護方案巷道垂直應(yīng)力的分布如圖4所示。圖4(a)所示，巷道在錨桿、錨索聯(lián)合支護條件下，巷道周邊2.0m深度圍巖的垂直應(yīng)力為2.0～8.0MPa，其應(yīng)力峰值在兩幫外達到34.0MPa。如圖4(b)所示，錨索桁架、錨桿聯(lián)合支護在巷道周邊圍巖的垂直應(yīng)力也為2.0～8.0MPa，但范圍較(a)小，應(yīng)力峰值與(a)幾乎相同，說明在本條件下采用錨索桁架支護方案對垂直應(yīng)力改善具有一定的優(yōu)越性。

圖4 不同支護方案垂直方向應(yīng)力云圖

（2）水平應(yīng)力分布情況

不同支護方案下巷道水平應(yīng)力分布如圖5所示。圖5(a)所示，巷道在錨桿、錨索聯(lián)合支護條件下，兩幫中部分布較大范圍的水平應(yīng)力為2.0～8.0MPa區(qū)域，水平應(yīng)力峰值達到38.0MPa。圖5(b)所示，錨索桁架、錨桿聯(lián)合支護在巷道兩幫水平應(yīng)力也為2.0～8.0MPa，但巷道頂板壁面附近水平應(yīng)力明顯改善，即預(yù)應(yīng)力梁的效應(yīng)明顯，說明采用錨索桁架、錨桿支護方案對巷道頂板支護效果明顯。

（3）垂直位移分析

如圖6所示，在采用不同支護方案情況下，巷道底板位移量均處于較小水平，最大位移量在2.0cm左右，巷道底板穩(wěn)定。采用錨桿、錨索聯(lián)合支護時頂板最大垂直位移量為9.5cm，而采用錨索桁架、錨桿支護頂板最大位移量為3.1cm，顯然錨索桁架、錨桿支護在對巷道頂板控制上有很大優(yōu)勢。

圖5 不同支護方案水平方向應(yīng)力云圖

圖6 不同支護方案豎直方向位移云圖

4 結(jié)論

合理的支護方案能有效地控制圍巖的穩(wěn)定性。在晉華宮煤礦巷道條件下，采用錨索桁架-錨桿聯(lián)合支護與采用錨桿-錨索聯(lián)合支護方案相比，兩幫移近量減少了54%；頂?shù)装逡平繙p少了67%，說明選用錨索桁架-錨桿聯(lián)合支護方案是合理的。