侯京凱

（山東能源棗礦集團(tuán)新安煤業(yè)公司，山東 微山 277642）

上煤層回采后，下部煤層及層間巖層應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生改變，兩層煤間距越小，層間巖層的整體性和完整性破壞越嚴(yán)重[1-3]。在下煤層中開挖巷道時(shí)，巷道頂板易破碎漏頂，下沉量大，且片幫嚴(yán)重，維護(hù)難度較大，成為此類工程的主要技術(shù)難題之一，亟需進(jìn)行深入研究。本文針對(duì)新安煤礦6113 工作面運(yùn)輸巷和材料巷工程條件差、支護(hù)困難等問題進(jìn)行研究，通過FLAC3D模擬確定頂（幫）錨桿長(zhǎng)度為2.4m（2.0m），直徑為24mm（18mm）。

1 工程概況

新安煤礦6113 工作面位于太原組10#、11#煤層中，煤層平均厚度7.38m。直接頂為9#煤底之泥巖，基本頂為K2 石灰?guī)r，底板為鋁質(zhì)泥巖，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層傾角2°~9°，平均傾角6°。

工作面上部為9#煤采空區(qū)，北鄰6111 采空區(qū)，東鄰六采區(qū)大巷，南鄰6115 采空區(qū)，西鄰井田邊界。6113 工作面位置示意圖如圖1 所示。由于工作面位于采空區(qū)下，且兩側(cè)相鄰工作面也均已采空，工程地質(zhì)條件總體復(fù)雜，尤其是工作面材料巷、運(yùn)輸巷靠煤柱一側(cè)工程條件較差。

圖1 6113 工作面位置示意圖

2 巷道變形破壞情況

2.1 原支護(hù)方案

6113 工作面材料巷、運(yùn)輸巷均采用錨桿、錨索、鋼帶及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式。

頂板錨桿采用規(guī)格為Φ22×2200mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距分別為750mm、950mm；頂板錨索采用規(guī)格為Φ17.8mm×4200mm 的鋼絞線，分別布置在距巷道兩幫各1.1m 處；幫錨桿均采用規(guī)格為Φ16×1800mm 的圓鋼錨桿，錨桿間排距分別為900mm、950mm。材料巷、運(yùn)輸巷斷面支護(hù)方式如圖2 所示。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

2.2 巷道變形破壞情況

6113 工作面運(yùn)輸巷整體變形比較嚴(yán)重，部分區(qū)域巷道頂?shù)装逡平看?，巷道底鼓明顯，巷道頂板存在整體下沉現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在巷道頂板鋼帶的左角和右角形成“鼓兜”，鋼帶折曲變形，被錨桿托盤壓穿撕裂，造成鋼帶失效。材料巷相對(duì)運(yùn)輸巷變形量較小，但是局部區(qū)域也存在頂板下沉、巷道底鼓及長(zhǎng)距離的網(wǎng)兜現(xiàn)象。

（1）頂板傾斜情況

根據(jù)井下觀測(cè)，在冒頂附近及其他未冒頂區(qū)域，巷道頂板煤柱一側(cè)發(fā)生較大幅度下沉，比工作面一側(cè)多下沉達(dá)500mm 左右，如圖3 所示，說明巷道煤柱一側(cè)頂板破壞較為嚴(yán)重。

圖3 巷道頂板下沉情況

（2）巷道煤柱側(cè)幫突出情況

巷道煤柱側(cè)幫部突出情況明顯，平均達(dá)300~400mm 左右，而且?guī)蛧鷰r煤體比較破碎，而工作面?zhèn)葞筒壳闆r較好，基本沒有明顯的突出。

3 巷道支護(hù)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)6113 工作面實(shí)際條件，建立FLAC3D計(jì)算模型，模型尺寸為50m×40m×40m，共劃分17360個(gè)單元。模型底部邊界固定，頂部為自由邊界，其余面均施加水平位移約束，模型中各煤巖層采用摩爾 庫(kù)倫本構(gòu)模型。

模型上覆巖層的重量以均布載荷的形式施加到模型頂部，大小為6.25MPa，取應(yīng)力系數(shù)為0.5，x、y 方向的初始應(yīng)力取3.1255MPa。先賦予材料為剛度材料，以避免在巷道開挖前產(chǎn)生變形[4]。

3.2 模擬方案及結(jié)果分析

一般情況下，巷道的支護(hù)效果和錨桿長(zhǎng)度、錨桿直徑、錨桿間排距、鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)、錨索長(zhǎng)度、錨桿直徑等很多因素有關(guān)。本文結(jié)合新安煤礦6113 工作面的實(shí)際工程地質(zhì)情況，主要模擬分析錨桿長(zhǎng)度、錨桿直徑對(duì)支護(hù)效果的影響。

（1）無支護(hù)條件下巷道模擬

由無支護(hù)條件下巷道模擬可知，巷道在無支護(hù)時(shí)，頂板的下沉量為385.3mm，底鼓量為120.6mm，左、右?guī)妥冃瘟糠謩e為1258mm、15.02mm，頂板破壞范圍為2.25m，左幫破壞范圍達(dá)5.3m 左右，而底板及右?guī)褪芰^好，破壞較少。左幫的變形量及破壞范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常變形值，即可認(rèn)為左幫已經(jīng)破壞，巷道失效。

（2）錨桿長(zhǎng)度對(duì)支護(hù)效果影響的模擬分析

只改變錨桿長(zhǎng)度，其他支護(hù)參數(shù)不變，分析巷道圍巖變形和應(yīng)力分布情況。頂板錨桿長(zhǎng)度分別取2200mm、2400mm、2600mm 三種情況，幫錨桿分別取1800mm、2000mm、2200mm 三種情況。具體模擬方案見表1。

表1 錨桿長(zhǎng)度模擬分析方案

不同錨桿長(zhǎng)度條件下各方案巷道圍巖位移如圖4 所示。

圖4 不同錨桿長(zhǎng)度條件下各方案巷道圍巖位移

由方案1 到方案2 時(shí)，巷道頂板位移減少5.37mm，底板減少3.93mm，左幫減少6.82mm，右?guī)蜏p少3.44mm；從方案2 到方案3 時(shí)，巷道頂板位移減少2.14mm，底板減少1.31mm，左幫減少1.78mm，右?guī)蜏p少1.14mm。因此，各位移量隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而有所減小，但選用方案3 時(shí)位移量減小幅度很小，基本沒有意義，選用方案2 較為合理，即頂板錨桿采用2.4m，幫錨桿采用2.0m 比較合理。

（3）錨桿直徑對(duì)支護(hù)效果影響的模擬分析

只改變錨桿直徑，其他支護(hù)參數(shù)不變，分析巷道圍巖變形和應(yīng)力分布情況。頂板錨桿直徑分布取22mm、24mm、26mm 三種情況，幫錨桿直徑分別取16m、18mm、20mm 三種情況，共有三種支護(hù)方案。具體模擬方案見表2。

表2 錨桿直徑模擬分析方案

圖5 不同錨桿直徑的各方案巷道圍巖位移

不同錨桿直徑的各方案巷道圍巖位移如圖5所示。從方案A 到方案B 時(shí)，巷道頂板位移減少0.77mm，底板減少1.07mm，左幫減少6.45mm，右?guī)蜏p少1.63mm；從方案B 到方案C 時(shí)，巷道頂板位移減少1.14mm，底板減少0.55mm，左幫減少1.91mm，右?guī)蜏p少1.14mm。

各位移量隨著錨桿直徑的增加而有所減小，但位移量減小幅度均很小。對(duì)左幫而言，錨桿直徑從16mm 增加到18mm 時(shí)左幫位移量減小了6.45mm，錨桿直徑從18mm 增加到20mm 時(shí)左幫位移量?jī)H減小1.91mm。方案B 較為合理，即頂板錨桿直徑采用24mm，幫錨桿直徑采用18mm 比較合理。

4 結(jié)論

（1）新安煤礦6113 工作面受上煤層及本煤層相鄰采空區(qū)的影響，巷道變形呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性特征，即巷道煤柱側(cè)變形破壞較回采側(cè)嚴(yán)重，影響了巷道的正常使用。

（2）通過數(shù)值模擬確定頂板錨桿長(zhǎng)度為2.4m，直徑為24mm，幫錨桿長(zhǎng)度為2.0m，直徑為18mm比較合理?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)能有效控制巷道變形，保證巷道安全。