陳道志，侯記川

(1.山東科技大學 能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島市 266590；2.陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司，陜西 咸陽市 712000)

隨著煤礦開采深度和強度的不斷增加，礦井開采條件越來越復雜，回采巷道在開采擾動下，礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，圍巖破碎，變形量大，影響巷道的正常使用[1-3]。目前，錨桿支護是我國煤礦最主要的支護形式。許多專家和學者做了大量的研究工作，使得錨桿支護理論日趨完善，支護技術得到快速發(fā)展[4-8]。錨桿支護作為一種主動支護，通過改善圍巖體應力分布和提高圍巖體強度來充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，具有顯著的技術經濟效益[9]。

1 工程概況

某煤礦10#煤二采區(qū)位于井田西翼，即東西翼大巷以北，工業(yè)廣場以西，和井田邊界圈定的范圍劃分為二采區(qū)。該采區(qū)南北走向長為1700 m，東西傾斜長為1048 m，為一不規(guī)則形狀，面積1.644 km2，批準開采4#～10#煤層，開采深度1130～778 m 標高。根據煤層賦存條件及開采技術條件，采用一次采全高綜合機械化放頂煤采煤法。

6206 與10206 回風順槽分別服務于6#、10#煤層，巷道斷面尺寸見表1。

表1 6206、10206 回風順槽斷面尺寸

原支護方案均采用錨桿、錨網、梯子梁、錨索聯(lián)合支護，斷面形狀為矩形。在實際生產期間，發(fā)現(xiàn)接替工作面緊鄰回采工作面一順槽巷道受動壓影響，巷道變形量較大，存在頂板錨索破斷等問題。由于6#、10#煤層工作面上下同時開采（分層同采）且留有一定安全錯距，因此對10206 動壓巷道圍巖穩(wěn)定性及其支護方案進行重點分析與探討。

2 動壓巷道支護方案分析

動壓巷道圍巖變形控制應當滿足巷道圍巖整體性控制原則、充分發(fā)揮沿空掘巷自身承載能力原則、高預應力和預應力擴散原則、“三高一低”原則、臨界支護強度與剛度原則、相互匹配原則、可操作性原則[6]。在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經濟合理，以降低巷道支護綜合成本。

基于錨桿、錨索支護參數(shù)計算結果，為10206回風順槽設計了3 種支護方案。各支護方案支護參數(shù)見表2。其中，方案一為原支護方案。

表2 10206 動壓巷道支護方案

3 動壓影響巷道支護參數(shù)模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[7]，對10206 回風順槽在不同支護方案時的應力分布及變形特征進行研究，以便為10206 動壓巷道支護方案的合理制定提供依據。根據10206 回風順槽的煤層頂、底板結構及其他條件，確定巷道數(shù)值計算模型，據此分析不同支護參數(shù)時巷道的圍巖應力分布及變形特征。

3.1.1 模型邊界條件

計算模型以10206 回風順槽實際參數(shù)為依據。模型底邊界施加位移約束條件；模型上邊界與左右邊界施加應力邊界條件，即頂部為應力和位移自由邊界；模型的兩個側面采用法向約束。本次模擬計算施加垂直應力σz=5.0 MPa，由于巷道埋深較淺，巷道周圍無大的水平構造，因此側壓系數(shù)λ 取0.5。

3.1.2 模型建立和網格劃分

根據工程實際情況及本次數(shù)值模擬的目的，模擬計算范圍選取10#煤層穩(wěn)定的底板至6#煤層穩(wěn)定的頂板共計80 m 范圍內的煤、巖層。在巷道軸向取較小值，并采用位移約束條件限制其變形，以保證模型符合平面應變問題的基本假定。模型大小沿x方向取81 m，y方向取8 m，z方向取80 m，數(shù)值計算模型尺寸81m×8m×80 m，單元體數(shù)59 040個，節(jié)點數(shù)68 796 個。煤巖層按水平狀態(tài)考慮，建立的數(shù)值計算模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值計算模型

3.1.3 本構模型及巖層參數(shù)

計算模型中巖層破壞準則選取Mohr-Coulomb準則[12]。通過Set Large 命令模擬巷道圍巖大變形。通過FLAC3D中的坐標更新命令，在每個計算時步后，通過更新節(jié)點坐標的方式將位移增量加到節(jié)點坐標上，以材料網格的移動和變形模擬巷道圍巖的大變形。數(shù)值模擬的煤系地層力學參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模擬煤巖層力學參數(shù)

3.1.4 數(shù)值計算過程

模型建立后先進行初期應力平衡計算，使邊界施加的應力在模型內均勻傳遞，然后進行6#煤層采煤工作面的回采，再進行10#煤層10206 回風順槽的開挖、支護。數(shù)值模擬中錨桿、錨索由Cable 單元生成。計算平衡后，對10206 回風順槽的圍巖變形及變形量進行分析。

3.2 數(shù)值計算結果分析

3.2.1 6#煤層開挖數(shù)值模擬

模型初始應力形成后，開挖6#煤層采煤工作面，并模擬6#煤層采煤工作面開挖后的圍巖應力分布特征，如圖2 所示。

由圖2（a）可知，6#煤層采煤工作面經過開采后，在采空區(qū)中部，垂直應力恢復至原巖應力水平；在采空區(qū)兩側煤壁附近底板10 m 范圍內，垂直應力顯著降低；然后，隨著距6#煤層底板距離的增加，垂直應力逐漸恢復至原巖應力水平。在數(shù)值模型中，6#煤層與10#煤層的層間距為35.5 m，由于距離較遠，6#煤層開挖引起的垂直應力擾動對10#煤層的影響較小。由圖2（b）可知，6#煤層采空區(qū)底板巖層中存在較大范圍的水平應力降低區(qū)，由于6#煤層與10#煤層的層間距較大，6#煤層開挖引起的水平應力擾動對10#煤層的影響也較小。

圖2 6#煤層開采后數(shù)值計算模型初始應力云圖

3.2.2 10206 回風順槽開挖數(shù)值模擬

在6#煤層采空區(qū)左幫的正下方開挖10206 回風順槽，巷道寬度取4.5 m，高度取3.0 m，分別按照表2 中設計的3 種支護方案進行模擬。各支護方案的數(shù)值模擬結果如下所述，重點探討了巷道周邊應力與位移分布規(guī)律。

（1）方案一模擬分析。由圖3（a）可以看出，在深入兩幫3.0 m 處垂直應力最大，最大值為7.74 MPa，這與巷道開挖引起的應力重分布有關。由圖3（b）可以看出，水平應力最大值在巷道底板正下方5.0 m 處，最大值為3.45 MPa。此外，兩種情況下巷道表面圍巖出現(xiàn)應力降低現(xiàn)象，這表明圍巖出現(xiàn)了塑性變形。由圖3（c）可以看出，在距巷道4個角2.0 m 位置出現(xiàn)了剪應力集中，最大值為1.53 MPa。

圖3 10206 巷道開挖后應力云圖（方案一）

由圖4（a）可以看出，巷道開挖后頂板變形量在許可范圍內，其中巷道頂板中部下沉量最大，最大值為31.07 mm，底鼓量最大值為12.14 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?3.21 mm。由圖4（b）可以看出，巷道右?guī)椭胁克阶冃瘟孔畲?，最大變形量?2.31 mm，左幫最大變形量為6.60 mm，兩幫相對移近量最大值為18.91 mm。

圖4 10206 巷道開挖后位移云圖（方案一）

（2）方案二模擬分析。由圖5（a）可以看出，在深入巷幫2.5 m 處垂直應力最大，最大值為7.75 MPa，這與巷道開挖引起的應力重分布有關。由圖5（b）可以看出，水平應力最大值在巷道底板正下方5.0 m 處，最大值為3.43 MPa；此外，兩種情況下巷道表面圍巖出現(xiàn)應力降低現(xiàn)象，這表明圍巖出現(xiàn)了塑性變形。由圖5（c）可以看出，在距巷道4個角2.0 m 位置出現(xiàn)了剪應力集中，最大值為1.52 MPa。

圖5 10206 巷道開挖后應力云圖（方案二）

由圖6（a）可以看出，巷道開挖后頂板中部下沉量最大，最大值為26.82 mm，底板底鼓量最大值為11.87 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?8.69 mm。由圖6（b）可以看出，巷道兩幫中部水平變形量最大，左幫最大變形量為5.45 mm，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?.04 mm，兩幫相對移近量最大值為14.49 mm。

圖6 10206 巷道開挖后位移云圖（方案二）

（3）方案三模擬分析。由圖7（a）可以看出，在深入兩幫2.5 m 處垂直應力最大，最大值為7.76 MPa，這與巷道開挖引起的應力重分布有關。由圖7（b）可以看出，水平應力最大值在巷道底板正下方5.5 m 處，最大值為3.43 MPa。由圖7（a）和7（b）還可以看出，巷道表面圍巖出現(xiàn)應力降低現(xiàn)象，這表明圍巖出現(xiàn)了塑性變形。由圖7（c）可以看出，在距巷道4 個角2.0 m 位置，出現(xiàn)了剪應力集中，最大值為1.51 MPa。

圖7 10206 巷道開挖后應力云圖（方案三）

由圖8（a）可以看出，巷道開挖后頂板中部下沉量最大，最大值為25.29 mm，底板底鼓量最大值為12.29 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?7.58 mm。由圖8（b）可以看出，巷道兩幫中部水平變形量最大，左幫最大變形量為4.98 mm，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?.16 mm，兩幫相對移近量最大值為14.14 mm。

圖8 10206 巷道開挖后位移云圖（方案三）

由圖3、圖5 和圖7 可以得出，巷道在開挖后，采用3 種不同支護方案時，巷道圍巖應力分布狀態(tài)及最大應力基本一致。但在3 種支護方案下，巷道圍巖不同位置的最大位移卻有較大差異，其對比如圖9 所示。

由圖9 可知，從巷道整體圍巖變形量看，方案一＞方案二＞方案三，即隨著支護強度的增加，巷道圍巖變形量減小。由于采用方案二時的巷道圍巖變形量與方案三（支護強度最大的方案）相差不大，結合支護成本因素綜合考慮，推薦采用方案二作為優(yōu)化支護方案。

圖9 不同支護方案下巷道圍巖變形對比

3.3 動壓巷道支護參數(shù)確定

通過理論計算與數(shù)值模擬分析對10206 回風順槽支護參數(shù)進行了研究，獲得了最優(yōu)支護方案，即采用錨桿+錨網+鋼筋梯子梁+錨索聯(lián)合支護。

頂板支護時，錨桿采用Φ20 mm×2200 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距均為1000 mm×900 mm。錨桿呈矩形布置，每排布置5 根。兩幫支護時，錨桿采用Φ20 mm×2000 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，每排布置4 根。

4 結論

針對某礦10#煤層工作面順槽巷道受6#煤層采動影響的實際情況，通過現(xiàn)場調研、理論分析、數(shù)值模擬、工程試驗等方法，對10#煤層受采動影響巷道支護參數(shù)進行了優(yōu)化研究，得到如下結論:

（1）為維護動壓巷道圍巖的穩(wěn)定性、確保巷道安全使用，提出了采用“錨桿+錨網+鋼筋梯子梁+錨索”聯(lián)合支護方案；

（2）通過理論計算與模擬分析，優(yōu)化確定的巷道合理支護參數(shù)為：頂板錨桿間排距為1000 mm×900 mm，高強錨桿Φ20 mm，長度為2200 mm；兩幫錨桿間排距為800 mm×900 mm，高強錨桿Φ20 mm，長度2000 mm；頂板錨索Φ17.8 mm，長度7200 mm，間排距為1400 mm×1800 mm；

（3）通過現(xiàn)場監(jiān)測，10#煤層工作面巷道斷面收縮率較小，巷道整體變形量小，完整性較好，表明支護方案二參數(shù)設計合理。