王建波 李 洋 常 慶

（1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)紅柳煤礦，寧夏 銀川 750011；2.陜西開(kāi)拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054）

煤炭資源的開(kāi)采往往伴隨著各種各樣的工程安全問(wèn)題，其中巷道支護(hù)的合理設(shè)計(jì)是預(yù)防安全問(wèn)題的關(guān)鍵[1-2]。目前寧東礦區(qū)煤礦巷道主要支護(hù)方式為傳統(tǒng)的錨桿錨索支護(hù)方式[3-5]。現(xiàn)階段，由于礦井工程地質(zhì)條件均較差，煤層賦存情況較為復(fù)雜等因素影響，隨著開(kāi)采強(qiáng)度加大，巷道斷面不斷加大，巷道支護(hù)穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出，加重了生產(chǎn)接續(xù)緊張，形成了重大的安全隱患。以紅柳煤礦I040201（西）復(fù)雜工作面為研究背景，采用數(shù)值模擬等手段開(kāi)展適合于寧東礦區(qū)的巷道支護(hù)優(yōu)化方案研究，以期為寧東礦區(qū)各礦井以及類(lèi)似礦井提供有益借鑒。

1 概況

紅柳煤礦I040201（西）工作面2 煤厚度為5.34～6.48 m，平均厚5.91 m，煤層傾斜8°，f=2～3。巷道沿2 煤頂板掘進(jìn)，頂板屬于軟巖層，工作面切眼長(zhǎng)275 m，工作面走向長(zhǎng)511 m。工作面直接頂缺失，其上直接為2 煤基本頂直羅組粗砂巖，厚度37.46～129.2 m，平均84.16 m，富水性較強(qiáng)，粗砂巖含水層是影響該巷施工的主要充水水源。預(yù)計(jì)局部裂隙發(fā)育地段及錨索眼將出現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象，巷道正常涌水量5～15 m3/h，最大涌水量30 m3/h。直接底以粉砂巖和泥巖為主，厚度1.16～9.46 m，平均5.36 m?；镜滓约?xì)砂巖和粉砂巖為主，厚度2.21～6.81 m，平均5.52 m。

2 原巷道基本支護(hù)及存在的問(wèn)題

2.1 原工作面巷道基本支護(hù)

紅柳煤礦I040201（西）工作面回風(fēng)巷沿2 煤頂板掘進(jìn)，巷道走向傾斜6°，巷道長(zhǎng)512 m?；仫L(fēng)巷斷面為直墻半圓拱形，掘進(jìn)寬度5000 mm，掘進(jìn)高度4400 mm，巷道凈寬4800 mm，凈高度為4000 mm，凈斷面積16.72 m2。巷道采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)方式，拱部采用錨索支護(hù)，錨索規(guī)格為Φ21.98 mm×4300 mm，間排距900 mm×800 mm；幫部采用Φ18 mm×2500 mm 圓鋼端頭錨桿，間排距為800 mm×800 mm；配合平鐵托板和柳木托板，平鐵托板規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，柳木托板規(guī)格400 mm×200 mm×50 mm；端頭麻花長(zhǎng)度400 mm；頂部掛設(shè)金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)采用Φ6.5 mm 圓鋼加工，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm，金屬網(wǎng)之間用14#鉛絲綁扎，網(wǎng)格孔孔相聯(lián)；兩幫掛塑料網(wǎng)，塑料網(wǎng)網(wǎng)格為40 mm×40 mm；塑料網(wǎng)之間、塑料網(wǎng)與金屬網(wǎng)之間用16#鉛絲綁扎，塑料網(wǎng)之間隔孔相連；頂部噴射混凝土，厚度50 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。具體斷面如圖1 所示。

圖1 基本支護(hù)斷面（mm）

2.2 原支護(hù)存在的問(wèn)題

現(xiàn)有支護(hù)體系下，巷道整體支護(hù)較為有效，巷道周邊的位移量減小。但是頂板仍有拉應(yīng)力區(qū)，且塑性區(qū)顯示為受剪破壞。頂板斜拱處有較大的壓應(yīng)力，建議加大襯砌的強(qiáng)度。頂板z向應(yīng)力和位移較小，可適當(dāng)減少頂部錨桿的數(shù)量。兩幫處應(yīng)力和位移均較小，兩幫向外較遠(yuǎn)處壓應(yīng)力較大，并且兩幫塑性區(qū)均較大，均超過(guò)了錨桿的錨固范圍。兩幫處的應(yīng)力和位移均較小，說(shuō)明當(dāng)前錨固強(qiáng)度足夠而錨固范圍欠缺，需要減少兩幫錨桿的數(shù)量，加入少量較長(zhǎng)的錨索。

3 原支護(hù)方案模擬

對(duì)回風(fēng)巷道進(jìn)行數(shù)值模擬分析得到如圖2～圖4所示的數(shù)值模擬云圖。

圖2 工作面回風(fēng)巷道應(yīng)力分布云圖

由圖2（a）可知，回風(fēng)巷頂板和底板出現(xiàn)拉應(yīng)力，巷道頂板2 m 范圍內(nèi)的z向應(yīng)力為拉應(yīng)力，大小約為0.73 MPa，2 m 外頂板的z向應(yīng)力為壓應(yīng)力，大小在5～10 MPa，說(shuō)明頂板出現(xiàn)面積較小、應(yīng)力較小的松動(dòng)圈。巷道開(kāi)挖支護(hù)后，頂、底板的拉應(yīng)力值較小，兩幫的z向應(yīng)力略有增大，應(yīng)力區(qū)域較小。由圖2（b）可知，水平應(yīng)力在巷道左右對(duì)稱(chēng)分布，隨著與巷道中心距離的增加，水平應(yīng)力逐漸減小。頂板水平位置層面處出現(xiàn)較薄的拉應(yīng)力區(qū)，大小在0.4 MPa 左右；遠(yuǎn)離頂板處為壓應(yīng)力，大小在1～3 MPa；底板處出現(xiàn)較小的壓應(yīng)力，大小為2～5 MPa；兩幫處水平應(yīng)力大小在5 MPa 左右，部分區(qū)域出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力；兩幫處2 m 范圍內(nèi)的壓應(yīng)力較小，2 m 范圍外的壓應(yīng)力較大，大小為7 MPa。

由圖3（a）可以看出，在支護(hù)狀態(tài)下，頂、底板上下位移呈對(duì)稱(chēng)分布，位移主要集中在巷道的頂、底板。其中巷道頂板下沉量最大為54.44 mm，巷道底板的最大位移為50.117 mm，同時(shí)隨著距離巷道中心距離的增加，位移量逐漸減小。由圖3（b）可知，在支護(hù)狀態(tài)下，巷道兩幫位移呈對(duì)稱(chēng)分布狀態(tài)。水平方向位移集中在巷道兩幫，隨著距離巷道中心距離的增加，位移量逐漸減小。巷道兩幫處的水平位移最大，切眼左幫部中間最大位移量為37.4 mm，切眼右?guī)筒恐虚g最大位移為37.3 mm，位移的方向指向巷道。

圖3 工作面回風(fēng)巷道位移分布云圖

由圖4 可知，開(kāi)挖支護(hù)后巷道圍巖發(fā)生塑性變形，巷道的剪切破壞較多，拉伸破壞較少，兩幫錨桿的支護(hù)區(qū)域都在塑性區(qū)范圍內(nèi)。

圖4 工作面回風(fēng)巷道塑性區(qū)分布云圖

4 巷道支護(hù)優(yōu)化

4.1 支護(hù)參數(shù)驗(yàn)算

錨桿錨索支護(hù)參數(shù)按照I040201（西）工作面回風(fēng)巷斷面為直墻半圓拱，巷高4.4 m、巷寬5 m進(jìn)行計(jì)算，原頂部采用Φ22 mm×4300 mm 錨索，幫部采用Φ18 mm×2500 mm 錨桿支護(hù)。

1）據(jù)懸吊理論確定頂部錨索

錨索長(zhǎng)度計(jì)算公式：

其中：L為錨索總長(zhǎng)度，m；K為安全系數(shù)，取2；d1為錨索直徑，取21.8 mm；fa為錨索抗拉強(qiáng)度，取1376 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的黏合強(qiáng)度，取10 N/mm2；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取3 m；Lc外露長(zhǎng)度，取0.4 m。

經(jīng)式（1）、式（2）計(jì)算得L=4.9 m。

錨索數(shù)目計(jì)算公式：

其中：N為錨索數(shù)目；K為安全系數(shù)，取2；P斷為錨索最低破斷力，kN，鋼絞線直徑為21.98 mm 時(shí)P斷為504 kN；B為巷道掘進(jìn)寬度，取5 m；D為錨索間排距，取1.2 m；Σh為懸吊巖石厚度，取3 m；Σγ為懸吊巖石平均容重，取23 kN/m3。

通過(guò)公式（3）、（4）計(jì)算得N≥1.6。即需要2 根錨索，即錨索間距（弧長(zhǎng)）不大于2.2 m。

錨索排距計(jì)算公式：

其中：B取5 m；H為巷道最大冒落高度，取4.4 m；γ為巖體容重，取25 kN/ m3；L1為錨桿排距，取1.2 m；F1為錨桿錨固力，取70 kN；F2為錨索極限承載力，取454 kN；θ為角錨桿與巷道頂板的夾角，取75°；n為每排錨索數(shù)，取2。

經(jīng)公式（5）計(jì)算得L排≤2.1 m，即錨索的排距應(yīng)滿足不大于2.1 m。

2）根據(jù)普氏自然平衡拱理論確定幫部錨桿錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式：

其中：L為錨桿長(zhǎng)度，m；L2為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，取0.4 m；L3為錨桿外露長(zhǎng)度，取0.15 m；f為巖石普氏系數(shù)，取1.7；B為巷道開(kāi)掘?qū)挾?，?.4 m。

經(jīng)公式（6）、（7）計(jì)算得L≥1.8 m。根據(jù)巷道實(shí)際條件及礦方常用錨桿長(zhǎng)度，取L=2.0 m。

錨桿的間、排距計(jì)算公式：

其中：s為錨桿的間、排距，m；Z為錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度，取0.4 m；a為巷道的半跨度，取2.5 m；b為頂板巖層的破壞深度，取1.3 m。

經(jīng)公式（8）計(jì)算可得s≤0.85 m。

錨桿直徑計(jì)算公式：

其中：d為錨桿的最小直徑，mm；Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，取60 kN；σt為錨桿桿體抗拉強(qiáng)度，取380 MPa。經(jīng)公式（9）計(jì)算得d≤14.2 mm。根據(jù)巷道實(shí)際條件及礦方常用錨桿規(guī)格，取d=18 mm。

4.2 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)原支護(hù)模擬分析、支護(hù)參數(shù)驗(yàn)算以及巷道變形及受力特點(diǎn)，結(jié)合礦方實(shí)際情況（由于頂板地質(zhì)條件，目前礦方使用頂錨索長(zhǎng)度普遍低于理論計(jì)算值），該研究提出2 種支護(hù)優(yōu)化方案。

方案1：頂板為長(zhǎng)4300 mm、直徑為22 mm 的錨索，間排距為1000 mm×1000 mm，兩幫為長(zhǎng)2000 mm、直徑為18 mm 的錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。

方案2：頂板為長(zhǎng)5300 mm、直徑為22 mm 的錨索，間排距為1000 mm×1200 mm，兩幫為長(zhǎng)2000 mm、直徑為18 mm 的錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。

4.3 支護(hù)優(yōu)化對(duì)比分析

1）頂板支護(hù)方案分析

根據(jù)支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，依次對(duì)方案進(jìn)行模擬研究，并對(duì)巷道頂板的應(yīng)力、位移做出對(duì)比分析。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 頂板數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，頂板位移最小的為第2 組，位移大小為54.3 mm。相比原支護(hù)和方案1 來(lái)說(shuō)，方案2 的支護(hù)特點(diǎn)是錨索的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，直徑不變，排距變大，說(shuō)明適當(dāng)增加錨桿長(zhǎng)度、增大間距對(duì)位移量的控制是可取的。對(duì)比原支護(hù)和第1 組方案，頂板支護(hù)的錨索直徑和長(zhǎng)度相同，方案1 的間排距變大，但位移增大在2 mm 內(nèi)，說(shuō)明錨索間排距可適當(dāng)變大，對(duì)頂板的支護(hù)更為有效。因此，選擇5300 mm的錨索比原支護(hù)4300 mm的錨索更為有效，可供選擇間距1000 mm、排距1200 mm。

查看頂水平方向應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)改變錨桿長(zhǎng)度、間排距對(duì)橫向應(yīng)力沒(méi)有太大的影響，3 組支護(hù)方案產(chǎn)生的水平應(yīng)力幾乎不變，因此不再考慮水平應(yīng)力的影響。對(duì)比方案1 與方案2 垂直方向應(yīng)力可知，僅考慮頂板條件下，為保證安全起見(jiàn)，頂板優(yōu)化選取第2 組為最優(yōu)支護(hù)方案。

2）兩幫支護(hù)方案分析

巷道兩幫應(yīng)力、位移對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩幫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表2 可知，兩幫原支護(hù)和第1 組方案的錨桿直徑和長(zhǎng)度不變，錨桿間、排距變大，水平位移增大，說(shuō)明幫部錨桿的間排距對(duì)橫向位移有較明顯的影響。對(duì)比優(yōu)化方案第1 組和第2 組來(lái)說(shuō)，兩組巷道幫部錨桿支護(hù)形式相同，但位移量稍有不同，說(shuō)明頂板的支護(hù)形式對(duì)巷道幫部的水平位移也產(chǎn)生了一定的影響。兩幫應(yīng)力沒(méi)有明顯差別，不做對(duì)比分析。

4.4 優(yōu)化方案及效益分析

通過(guò)支護(hù)優(yōu)化對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，2 組方案的位移、應(yīng)力變化不大。實(shí)際煤巷支護(hù)中，以巷道的位移為主要參考，以及為巷道的安全支護(hù)，選用第2 組支護(hù)方案最為合理。該方案可最大限度地減小頂板的位移量，達(dá)到煤礦巷道安全支護(hù)的需要，同時(shí)最大限度地節(jié)約材料，從而減少經(jīng)濟(jì)投入。兩組方案支護(hù)材料用量減少量見(jiàn)表3。

表3 支護(hù)材料用量減少率 %

5 結(jié)論

1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面回風(fēng)巷變形情況進(jìn)行調(diào)研和分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有支護(hù)體系下，回風(fēng)巷的支護(hù)錨固強(qiáng)度達(dá)標(biāo)而錨固范圍欠缺，需要按當(dāng)前支護(hù)方案材料加大錨桿長(zhǎng)度，并減少兩幫錨桿的數(shù)量，加入少量較長(zhǎng)的錨索。

2）根據(jù)Ⅰ020211 工作面回風(fēng)巷支護(hù)存在的問(wèn)題提出2 種優(yōu)化方案。通過(guò)數(shù)值模擬分析，在最大程度節(jié)約材料的基礎(chǔ)上，最終優(yōu)選方案2 最為合理。