霍志強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)朔煤小峪煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

煤礦生產(chǎn)效率的提高除了與綜采設(shè)備的可靠性和高效性有關(guān)外，在很大程度上依賴于回采巷道的穩(wěn)定性[1-2]。一旦回采巷道出現(xiàn)變形及較嚴(yán)重的破壞將可能生產(chǎn)中斷，嚴(yán)重的會(huì)造成人員傷亡事故。因此，加強(qiáng)對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)及工藝的研究，分析巷道圍巖變形破壞的原因并提出針對(duì)性的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)提升巷道的支護(hù)效果具有十分重要的意義。本文以小峪煤礦2104巷為研究背景，分析巷道頂板失穩(wěn)及冒落的原因，在此基礎(chǔ)上提出支護(hù)優(yōu)化方案并通過有限元模擬技術(shù)對(duì)支護(hù)方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

小峪煤礦2104巷位于南I盤區(qū)北翼，沿19#煤層掘進(jìn)。19#煤層走向286°，傾向NE，傾角2°～5°，煤層總厚度7.29～8.78 m，平均厚7.94 m。19#煤層結(jié)構(gòu)從上到下分別為：煤、泥巖、煤、高嶺巖、煤。其中，上段煤厚2.98～3.77 m，均厚3.35 m，泥巖厚0.20 m；中段煤厚0.35～0.52 m，均厚0.42 m；高嶺巖厚1.04～2.15 m，均厚1.44 m； 下段煤厚2.29～2.84 m，均厚2.53 m。19#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚4.5 m，普氏硬度系數(shù)3～5，直接底為砂質(zhì)泥巖，厚1.4 m，普氏硬度系數(shù)3～5，老底為中粒砂巖，厚3.6 m，普氏硬度系數(shù)4～6，見表1。該巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，處于向斜構(gòu)造范圍，兩翼傾角6°～8°，圍巖的原巖應(yīng)力水平較高，造成巷道圍巖整體呈破碎狀。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2104巷設(shè)計(jì)為半圓拱形，寬5 m，高3.2 m，掘進(jìn)斷面積為16 m2，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度860 m；從2108巷西幫開口，以292°方位角掘進(jìn)860 m，西部為實(shí)煤區(qū)，東部為2108、5108巷，南部為實(shí)煤區(qū)，北部為厚約1.4 m巖墻。2104巷368～860 m對(duì)應(yīng)上覆為16#煤層4823、8124、8126工作面采空區(qū)，層間距約12 m。2104巷對(duì)應(yīng)地表位于水泉溝、大黃溝北部，大西溝西部，上部有大西溝支溝發(fā)育，無任何建筑物。地面標(biāo)高+1 341～+1 295 m，工作面標(biāo)高+1 137～+1 145 m。

2 支護(hù)方案的數(shù)值模型分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

以2104巷實(shí)際煤巖賦存條件為基礎(chǔ)，通過FLAC3D建立有限元模型，并對(duì)有限元模型進(jìn)行參數(shù)賦值及邊界條件設(shè)定，模型設(shè)計(jì)的主要原則如下：

（1）模型必須充分考慮巷道原巖應(yīng)力條件，同時(shí)建模過程中必須將巷道實(shí)際的頂?shù)装鍡l件考慮在內(nèi)；

（2）模型的尺寸、單元的劃分及邊界條件的設(shè)定應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及模型的計(jì)算量；

（3）應(yīng)將巷道的動(dòng)態(tài)掘進(jìn)過程考慮在內(nèi)，巷道在掘進(jìn)過程中應(yīng)力、應(yīng)變等是逐漸變化的，不可一次開挖距離過長(zhǎng)。

根據(jù)上述建模原則，采用FLAC3D軟件內(nèi)置建模命令建立2104巷數(shù)值計(jì)算模型，見圖1。考慮邊界效應(yīng)的影響，模型整體尺寸為巷道直徑的5倍，模型尺寸為30 m×60 m×90 m。模型共有32 000個(gè)網(wǎng)格單元，390 256個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，在模型的前后左右四側(cè)采用位移約束條件，設(shè)定位移為0；在模型下側(cè)設(shè)定位移約束條件，設(shè)置位移為0；在模型上方采用應(yīng)力邊界條件，根據(jù)工作面埋深及模型尺寸，在模型上表面施加應(yīng)力2.5 MPa（25 000 kN/m3×100 m）以模擬上覆巖層的作用力。采用軟件內(nèi)置錨桿單元建立并布設(shè)錨桿，錨桿布設(shè)方式根據(jù)現(xiàn)有支護(hù)方案設(shè)計(jì)，見圖2。

圖1 2104巷數(shù)值計(jì)算模型

圖2 2104巷現(xiàn)有支護(hù)形式

2.2 不同支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2104巷在巷道開挖的不斷擾動(dòng)下，頂板下沉速度逐漸變大，甚至出現(xiàn)局部片幫及冒頂現(xiàn)象，部分巷道有碎石外漏，并出現(xiàn)脫落情況，整體頂板的破壞情況嚴(yán)重。

（1）巷道冒頂原因分析

2104巷原設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿采用螺紋鋼樹脂錨桿,錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm，直徑為Φ20 mm，在巷道兩幫各布置3根錨桿，錨桿間排距為900 mm×1 500 mm，頂板布置五根錨桿，間排距為1 000 mm×1 500 mm，采用全長(zhǎng)錨固的方式，錨桿預(yù)應(yīng)力為0.05 MPa，金屬網(wǎng)規(guī)格為100 mm×100 mm 。

2104巷地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖的原巖應(yīng)力水平較高但煤層頂板強(qiáng)度較低；同時(shí)巷道圍巖節(jié)理裂隙極其發(fā)育，致使整體塊狀結(jié)構(gòu)較少，在受到開挖造成的應(yīng)力集中作用后就會(huì)失去平衡，從而發(fā)生冒頂。此外，原有方案中錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力及長(zhǎng)度明顯不足，對(duì)于巷道圍巖不能起到很好的加固作用。

（2）支護(hù)優(yōu)化方案

在充分考慮巷道的具體條件包括寬度、高度、原巖應(yīng)力水平、巷道圍巖強(qiáng)度及松動(dòng)圈范圍等因素的基礎(chǔ)上，對(duì)錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行重新優(yōu)化；同時(shí)，從安全及經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行綜合考量，最終確定增加錨桿長(zhǎng)度并噴射混凝土進(jìn)行巷道支護(hù)，見圖3。

圖3 優(yōu)化支護(hù)方案

具體優(yōu)化方案采用C30混凝土、噴射厚度為100 mm。為使錨桿端部能夠固定于堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖層內(nèi)，錨桿長(zhǎng)度增加至2 800 m，采用全長(zhǎng)錨固的方式，將錨桿預(yù)應(yīng)力提高至0.15 MPa。

3 模擬結(jié)果分析

圖4中2104巷在原支護(hù)方案下，巷道圍巖塑性區(qū)主要集中于巷道的拱頂及拱角部，模型內(nèi)發(fā)生屈服的單元數(shù)量高達(dá)178個(gè)，巷道圍巖塑性破壞區(qū)，即松動(dòng)圈深度達(dá)到7 m。這表明巷道拱頂及拱腳處的集中應(yīng)力較大，沒有充分的提高圍巖的整體承載能力。

圖4 模擬巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況

當(dāng)采用優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)，無論是巷道的頂部、拱腳還是巷道兩幫的塑性區(qū)范圍及應(yīng)力集中系數(shù)，均得到了較好的控制。巷道塑性區(qū)范圍被控制在了1.5 m 以內(nèi)；其中，巷道拱頂以張拉破壞形式為主，而拱角和墻角以剪切破壞形式為主。優(yōu)化支護(hù)方案有效的減弱了巷道角部的應(yīng)力集中程度，提高了巷道兩幫及頂?shù)装宓淖猿心芰?，減少了巷道兩幫的塑性變形。同時(shí)，通過對(duì)巷道頂板、兩幫和墻角進(jìn)行加固，減少了兩幫及頂?shù)装迤屏褔鷰r的變形速度及變形量。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后的巷道變形完全控制在要求的范圍內(nèi)，可以有效的提高巷道圍巖的承載能力，降低圍巖的變形程度，同時(shí)抑制了松動(dòng)圈在巷道失穩(wěn)破壞后的進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 結(jié)語

1）分析了小峪煤礦2104巷頂板冒落嚴(yán)重的原因：巷道圍巖原巖應(yīng)力較大且圍巖較為破碎，同時(shí)，原支護(hù)設(shè)計(jì)中錨桿長(zhǎng)度較短，不能打入穩(wěn)定堅(jiān)固的巖層內(nèi)，造成錨桿本身不穩(wěn)定。

2）通過優(yōu)化巷道支護(hù)方案，提高錨桿長(zhǎng)度及預(yù)緊力。支護(hù)優(yōu)化后，圍巖塑性區(qū)范圍大大降低，降低至1.5 m，同時(shí)圍巖變形速度及變形量可以控制在

要求的范圍內(nèi)。