周 明 劉建剛

（1.六盤水師范學院礦業(yè)與機械工程學院，貴州 六盤水 553004；2. 貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州 六盤水 553017）

1 工程概況

以貴州發(fā)耳煤礦13207工作面作為強礦壓顯現(xiàn)巷道錨桿支護技術研究試驗地點，13207工作面兩順槽采用矩形斷面，斷面尺寸為4200mm×3400mm，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式，20×2000mm的等強度螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800mm×800mm，采用端頭錨固。錨索直徑為18.9 mm，間排距1400mm×1600mm，錨索長6.5m，并根據(jù)現(xiàn)場頂煤厚度和頂板變化進行調(diào)整。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立數(shù)值模型

數(shù)值模擬模型參照貴州發(fā)耳煤礦13207工作面地質(zhì)條件，13207工作面埋深平均為1000m左右，屬于深井工作面。為了模擬再現(xiàn)巷道開挖及采取支護措施后的應力分布情況，數(shù)值模擬以13207工作面綜合地質(zhì)柱狀圖為基礎，對地質(zhì)條件進行適當簡化，巖層傾角按0°考慮，為了更好地模擬效果，并與動載模擬作比較，適當加大了模型。建立的模型尺寸為長204m，高134m；巷道寬4.2m，高3.4m，左邊界距巷道左幫100 m，右邊界距巷道右?guī)?00m；煤層厚度為5m，底板52m，覆巖52m，共劃分9.64×10個基本單元。

2.2 模擬方案及步驟

為了研究沖擊危險巷道在靜載條件下不同支護方案的煤層巷道圍巖塑性區(qū)及位移場的分布情況。主要研究當沖擊危險巷道采用錨桿支護時，支護參數(shù)對圍巖穩(wěn)定性的影響，分析巷道采用不同支護參數(shù)時，巷道的圍巖位移場及塑性區(qū)的分布情況。該文主要研究的支護參數(shù)包括錨桿長度、錨桿排距?？紤]到我國煤礦巷道的地質(zhì)條件、生產(chǎn)條件、煤巷支護的需要、錨桿的加工與施工等因素，錨桿的長度范圍1.6m~2.8m。煤礦巷道錨桿間排距一般為650mm~1100mm?；谝陨线@些錨桿支護參數(shù)，結合理論分析，設計了兩組支護方案，每組支護方案包括3種支護方案。兩組不同的支護方案具體如下。

試驗組一支護方案：第一組支護方案主要研究在沖擊危險巷道中不同錨桿長度對圍巖穩(wěn)定性、位移場、塑性區(qū)分布的影響。第一組方案采用直徑為22mm、強度為500MPa的高強樹脂錨桿加金屬網(wǎng)支護，錨桿間距為700mm，頂板用直徑18.9mm、長度6500mm、間排距1400mm×1600mm的錨索加強支護。錨桿長度分別為1.6m、2.4m、2.8m。具體支護方案見表1。

表1 試驗組一錨桿支護模擬方案

試驗組二支護方案：第二組支護方案主要研究在沖擊危險巷道中不同錨桿間排距對巷道圍巖穩(wěn)定性、位移場、塑性區(qū)分布的影響。第二組方案同樣采用直徑為22mm、強度為500MPa的高強樹脂錨桿加金屬網(wǎng)支護，用錨桿長度為2.4m、頂板直徑18.9mm、長度 8250mm、間排距2250mm的錨索加強支護，錨桿間距分別為1000mm、700mm、500mm。具體支護方案見表2。這兩組模型賦予相同的煤層及其頂?shù)装鍘r層力學性質(zhì)參數(shù)，只是采取不同的巷道支護方案來分析不同錨桿支護參數(shù)對巷道圍巖位移場及塑性區(qū)分布的影響情況。

表2 試驗組二錨桿支護模擬方案

FLAC數(shù)值模擬模型運算至原巖應力靜壓平衡狀態(tài)；開挖巷道，計算至平衡，得到各種支護方案的模擬結果；對比分析上述模擬結果中位移場及塑性區(qū)的分布情況，在該基礎上分析巷道防沖能力。

3 強礦壓顯現(xiàn)巷道不同支護方案靜載特征分析

3.1 試驗組一不同錨桿長度的靜載分析

巷道開挖卸荷后，由于應力轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的次生應力集中導致圍巖力學參數(shù)發(fā)生變化，巷道的破壞主要是剪切破壞和拉伸破壞等形式，不同控制方式的巷道圍巖塑性區(qū)分布特征不同。從表3可以看出，在巷道周圍形成的塑性區(qū)域隨錨桿長度的增加而變小，說明隨著錨桿長度的增加，錨桿對圍巖的控制效果逐步提高。

表3 數(shù)值模擬塑性區(qū)占比

由表4可以看出，當采用方案1支護巷道后，巷道頂部和幫部的變形量分別為1.6×10、1.5×10；當采用方案2支護巷道后，巷道頂板和幫部的變形量分別為1.3×10、1.2×10；當采用方案3支護巷道后，巷道頂板和幫部的變形量分別為0.9×10、0.85×10；與方案1相比，采用方案2支護巷道后，巷道頂板和幫部的變形量分別減少了18.7%、20%；與方案2相比，采用方案3支護巷道后，巷道頂板和幫部的變形量分別減少了30.7%、29.1%。靜載條件下，增加錨桿長度可以有效控制巷道頂板和幫部的變形量。

表4 數(shù)值模擬巷道頂板、幫部水平變形量

巷道采用不同長度錨桿支護后，巷道幫部垂直應力曲線如圖1所示。

由圖1可知，在巷道開挖后，巷道幫部出現(xiàn)應力降低區(qū)、原巖應力區(qū)、應力升高區(qū)。采用方案1支護巷道后，應力降低區(qū)距離幫部1m~4m，應力峰值位于幫部向里5m處；采用方案2支護巷道后，應力降低區(qū)距離幫部向里1m~7m，應力峰值位于幫部向里10m處；采用方案3支護巷道后，應力降低區(qū)增加幫部1m~8m，應力峰值位于幫部向里11m處；由此得出結論，錨桿長度加長后，可增大巷道周圍的應力降低區(qū)，使應力峰值向深部轉(zhuǎn)移。

圖1 不同支護方案幫部垂直應力曲線

因此，在靜載條件下，隨著錨桿長度的增加，巷道周圍的塑性變形區(qū)在減少，巷道幫部的應力降低區(qū)范圍增大，巷道幫部的側(cè)向支承壓力向深部轉(zhuǎn)移；增加錨桿長度可以有效控制巷道頂板兩幫的位移。

3.2 試驗組二不同錨桿間距的靜載分析

從表5可以看出，當錨桿間距為1000mm時，巷道頂板和幫部的變形量分別為1.4×10、1.25×10；當錨桿間距為700mm時，巷道頂板和幫部的變形量分別為1.25×10、1.2×10；當錨桿間距為500mm時，巷道頂板和幫部的變形量分別為1.1×10、1.05×10；隨著錨桿間距的減少，巷道頂板和幫部的位移在減少。增加錨桿支護密度后在巷道周圍形成了穩(wěn)定的支護結構，有效減少了巷道的變形量。

表5 數(shù)值模擬巷道頂板、幫部水平變形量

不同錨桿間距幫部垂直應力曲線如圖2所示。

由圖2可知，在巷道開挖后，巷道幫部出現(xiàn)三區(qū)：應力降低區(qū)、應力升高區(qū)、原巖應力區(qū)。隨著錨桿間距的減少，巷道幫部的應力峰值向深部轉(zhuǎn)移，巷道周圍的應力降低區(qū)范圍擴大。

圖2 不同錨桿間距幫部垂直應力曲線

在靜載條件下，隨著錨桿間距的增加，巷道周圍的塑性變形區(qū)在減少，巷道幫部的應力降低區(qū)范圍擴大，巷道幫部的側(cè)向支承壓力向深部轉(zhuǎn)移，增加錨桿間距可以有效控制巷道頂板和幫部的變形量。

4 試驗工作面皮帶巷優(yōu)化后支護參數(shù)

根據(jù)上文可知，需要調(diào)整錨桿錨索的布置形式，使巷道圍巖均勻受力，形成穩(wěn)定的承載結構。支護采用錨桿+W鋼帶+錨索支護。錨桿選用22×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距調(diào)整為700mm×700mm；錨索選用直徑為21.8mm的錨索，間排距調(diào)整為1400mm×1600mm，沿垂向錨索間采用燕型托梁連接，13207工作面支護調(diào)整后的巷道支護如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后巷道支護布置圖（單位：mm）

5 試驗工作面巷道圍巖變形分析

以13207皮帶巷為例，在掘進期間，2021年8月1日掘進進尺15m、45m、75m、105m處，設置巷道圍巖變形監(jiān)測點，監(jiān)測點編號1#~4#。其中1#和2#監(jiān)測點距離掘進面最遠，隨著時間推移，該監(jiān)測位置的巷道圍巖最先穩(wěn)定，因此選取1#和2#監(jiān)測點的兩幫及頂?shù)装逡平窟M行具體分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，頂?shù)装寮皟蓭兔刻煲平俣容^慢，巷道頂?shù)装逡平俣却笥趦蓭鸵平俣?，因?3207皮帶巷采取優(yōu)化后的支護方案有效控制了巷道的變形量，支護系統(tǒng)控制強礦壓顯現(xiàn)的能力良好。隨著時間的推移，兩幫移近量趨于穩(wěn)定，而頂板尚未穩(wěn)定。兩幫變形量最大值為27mm，頂板最大下沉量為72mm，變形量較小。驗證了支護系統(tǒng)控制強礦壓顯現(xiàn)的能力良好。

圖4 掘進期間頂?shù)装寮皟蓭鸵平?/p>

6 結論

隨著錨桿長度的增加，錨桿對圍巖的控制效果逐步提高，可以有效控制巷道頂板和幫部的變形量，可擴大巷道周圍的應力降低區(qū)，使應力峰值向深部轉(zhuǎn)移。

錨桿支護密度增加后在巷道周圍形成了穩(wěn)定的支護結構，有效減少了巷道的變形，巷道幫部的應力峰值向深部轉(zhuǎn)移，巷道周圍的應力降低區(qū)范圍隨之擴大。

通過對巷道采掘期間巷道變形數(shù)據(jù)進行分析可知，在工作面掘進期間，監(jiān)測點的頂板移近量大于兩幫，隨著巷道繼續(xù)掘進，兩幫移近速度趨于平穩(wěn)，而頂板尚未穩(wěn)定，頂板、兩幫變形量較小，驗證了當前支護系統(tǒng)的可靠性。