花草滩煤矿+1300 m 水平西翼回风大巷支护模拟分析与应用

张 明

（陕西建新煤化有限责任公司，陕西 铜川 727102）

1 概况

张掖市宏能煤业有限公司花草滩煤矿位于甘肃省山丹县县城东南方向，矿井设计生产能力为180万t/a，主要开采煤层为煤1、煤和煤2。煤2 按其所含夹矸情况分为上、下两个分层，煤2上煤层为煤2 煤层的上分岔煤层。煤1的平均厚度为1.82 m，受到各种地质条件的综合影响，从而造成局部增厚或变薄，平均倾角为17°。该区域整体形态为一单斜构造。现需要对+1300 m 水平西翼回风大巷进行延深开拓，+1300 m 水平西翼回风大巷在煤1 中，回风大巷停头平面与层位（a 图中实线变虚线且巷道名称标注位置为停头位置）见图1。

图1 +1300 m 水平西翼回风大巷停头平面与层位

2 巷道围岩结构观测

该区地层岩性不单一，多少存在部分地质构造，煤层顶、底板岩石力学性能较差，较多为不坚固岩石～中等坚固岩石，支护不易[1-2]。于+1300 m 水平西翼回风大巷距掘进头10 m 处进行钻孔窥视，钻孔窥视结果汇总见表1。

表1 钻孔窥视结果

由+1300 m 水平西翼回风大巷外侧钻孔窥视结果可知，距孔口0.70～2.47 m 范围内，纵向裂隙较发育，少量存在节理和裂隙等不连续面；距孔口3.56～7.81 m 之间围岩裂隙不发育，围岩结构较完整[3-4]。总体来说，窥视点顶板条件较好，层理与裂隙普遍不发育，破碎区范围较小，围岩完整性较好，顶板整体性好[5]。

3 巷道围岩岩性

根据+1300 m 水平西翼回风大巷附近钻孔所取岩芯岩性分析和提供的地质资料，获得+1300 m 水平西翼回风大巷围岩稳定性分类有关的顶板岩石单轴抗压强度、底板岩石单轴抗压强度、巷帮煤层单轴抗压强度、巷道埋深、护巷煤柱宽度等7 个参数及其变化范围，见表2。

表2 巷道围岩稳定性分类基本参数

根据围岩稳定性分类，各参数为表2 所示。根据顶板、底板和煤层的单轴抗压强度的普氏硬度系数可以看出，+1300 m 水平西翼回风大巷沿煤1 底板布置，属于Ⅲ类中等稳定围岩；结合巷道埋深、护巷煤柱宽度、采动影响系数和围岩完整性指数，因此，按Ⅲ类中等稳定围岩设计+1300 水平西翼回风的支护方式与支护参数。

4 数值模拟

对+1300 m 水平西翼回风大巷进行数值计算与模拟分析。模拟主要考虑锚杆不同排距对巷道围岩稳定性的影响：对比无锚杆支护、锚杆排距分别为600 mm、800 mm 和1000 mm 四种情况。煤层倾角17°，+1300 m 水平西翼回风大巷为直墙半圆拱形断面：毛断面宽5300 mm，高4750 mm，其中直墙高2100 mm，拱形半径2650 mm，沿煤1 底板布置，左侧水平距离50 m 保护煤柱，左侧为实体煤。沿巷道截面方向为X 轴，开挖的+1300 m 水平西翼回风大巷位于模型中间，左、右侧距模型右边界30 m；巷道掘进方向为Y 轴，沿掘进方向取40 m；竖直方向为Z 轴，煤1 底板向下取15 m，煤1 顶板向上取20 m。故整个模型尺寸65 m×40 m×40 m。模型底部沿边界Y 方向固定，左右两侧沿边界X 方向限制水平位移，模型顶部边界自由，作为施加均匀载荷（即考虑到模拟地下深部岩层，不可能建模到地表），在模型顶部边界上施加均布载荷q模拟模型上覆岩层的重量。由于本次设计的+1300 m 水平西翼回风大巷最大埋深为800 m，属于深部煤层，需考虑煤岩体侧压的影响。根据地应力测试结果，本次模拟取垂直应力20 MPa，水平应力10 MPa。为了能够准确研究巷道开挖引起的围岩应力及塑性区变化情况，建立模型过程中，作为重点分析的煤1 和煤2 层、直接顶及老顶、直接底范围内块体尺寸取值较小、致密，上覆岩层块体尺寸逐次递增。该模型共分30 420 个小单元。数值模型计算如图2。

图2 +1300 m 水平西翼回风大巷计算模型

模拟过程中主要考虑巷道围岩的垂直、水平应力分布规律，围岩变形特征和屈服范围。

4.1 模拟计算结果与分析

1）围岩塑性区模拟结果分析

模拟时，锚杆排距为600 mm、800 mm、1000 mm 时3 种方案的锚杆间距固定800 mm 不变，锚索排距为800 mm。图3（a）、3（b）、3（c）、3（d）分别为无支护、锚杆排距600 mm、800 mm、1000 mm 方案下的+1300 m 水平西翼回风大巷围岩塑性区分布图。

从图3 中可以看出：

① 无锚杆支护情况下，顶板塑性屈服范围最大为1.75 m，两帮塑性屈服范围最大2 m，底板屈服范围最大2.5 m。顶板表现为拉破坏和剪破坏，以剪破坏为主；底板以剪破坏为主；两帮以剪切破坏为主。可以看出，若不及时采取支护，巷道极易产生顶板大面积垮落、底鼓及两帮严重片帮。

② 顶板塑性屈服范围最大为1.75 m，巷道直接顶为砂岩、砂质泥岩，塑性区范围较大，顶锚杆长度应不小于2.4 m（锚固长度不低于600 mm）。可以将已发生塑性破坏的岩层锚固到巷道上覆稳定岩层中，同时需采用锚索进行补强，可有效控制顶板变形。

两帮塑性屈服最大范围为2 m，帮锚杆有效长度应不小于2 m。同时为进一步发挥锚杆的加固和组合作用，帮锚长应大于间距的2 倍为宜。

③ 锚杆排距分别为600 mm、800 mm 方案下的巷道顶底板塑性区面积基本一致，相比无支护顶底板塑性区面积有显著减少，有明显的支护效果；锚杆排距为1000 mm 方案下的巷道顶底板塑性区面积略大，支护效果一般。

2）围岩应力分布规律分析

图4（a）、4（b）、4（c）、4（d）分别为无支护、锚杆排距600 mm、800 mm 和1000 mm 方案下的垂直应力分布云图。图5（a）、5（b）、5（c）、5（d）分别为无支护、锚杆排距600 mm、800 mm 和1000 mm 方案下的水平应力分布云图。

图4 不同锚杆排距下巷道的垂直应力分布云图

图5 不同锚杆排距下巷道的水平应力分布云图

从图4、图5 中可以看出：

① 在巷道顶板、底板范围内形成拉应力区和垂直应力降低区域，顶板中形成了一个类似拱形的应力降低区。本模拟中原岩垂直应力为20 MPa，现定以原岩应力的80%范围为明显应力降低区，在垂直应力为16 MPa 处，即所谓的“卸载拱”。“卸载拱”的范围主要集中在顶板2 m 范围左右，说明顶板2 m 范围内岩层处于不稳定状态，该区域顶板易破坏。卸载拱范围内的顶板岩层只是相对原岩应力场产生了一定程度的卸载作用，而并非完全卸载。岩层的承载能力与所受的载荷之间仍可能建立起新的平衡关系，因此，支护设计应充分利用卸载拱内岩层自身的承载能力，显然这一点对锚杆支护具有特别重要的意义。

② 锚杆、锚索预紧力联合作用在锚杆和锚索组成的主要结构中，形成了有效不断续的压应力区。锚杆排距为1000 mm 方案下拉应力作用范围相较于无支护情况显著减少；锚杆排距分别为600 mm 和800 mm 两种方案下拉应力作用范围相比无支护情况几乎消除，支护效果明显。

③ 在巷道两帮形成明显水平应力降低区，降低区范围1.5 m 左右。结合塑性区分布情况可知，巷帮浅部1.5 m 范围煤体松动，巷帮浅部围岩对顶板的支撑作用明显降低，这也意味着顶板的实际跨度增大，稳定性降低。因此，对巷帮采取有效的支护措施，不仅有利于巷帮本身的稳定，而且也有利于顶板的稳定。

④ 与无支护相比，巷道两帮垂直应力峰值更靠近巷帮，说明支护提高了两帮围岩的强度，形成了强度较高的整体锚固结构体，两帮围岩处于稳定状态。

通过数值模拟计算，可以得出无支护情况下断面收缩率为28%，在锚杆排距600 mm、800 mm和1000 m 方案下断面收缩率分别为5.7%、7.2%和11.5%。考虑矿方巷道维护工作量，建议选取第2种方案，即锚杆排距为800 mm。

4.2 围岩支护分析

通过对+1300 m 水平西翼回风大巷的数值模拟结果可知，无支护巷道顶板塑性屈服范围最大为1.75 m，两帮塑性屈服最大范围2 m，底板屈服范围最大4.5 m，其中顶部表现为拉破坏和剪切破坏，两帮以剪切破坏为主，底部以拉破坏为主。巷道顶底板围岩垂直存在明显的拉应力区：顶底板中部3.2 m 范围内垂直应力降低明显，两帮2.5 m 范围水平应力降低明显，若不及时采取支护，易导致顶板大面积垮落、底鼓及两帮严重片帮。根据数值模拟结果，+1300 m 水平西翼回风大巷采用螺纹钢锚杆、锚杆排距为800 mm、锚索排距为800 mm 的支护方案（模拟时锚杆排距为600 mm、800 mm、1000 mm 时3 种方案的锚索排距均为800 mm）。通过+1300 m 水平西翼回风大巷的数值模拟结果可知，无支护巷道顶板塑性屈服范围最大为1.75 m，两帮塑性屈服范围最大2 m，底板屈服范围最大2.5 m，其中顶部表现为拉破坏和剪切破坏，两帮以剪切破坏为主，底部以拉破坏为主。巷道顶底板围岩垂直存在明显的拉应力区：顶底板中部3.2 m 范围内垂直应力降低明显，两帮1.5 m 范围水平应力降低明显，易导致顶板大面积垮落、底鼓及两帮严重片帮。

锚杆排距分别为600 mm、800 mm 方案下的巷道顶底板塑性区面积变化不大，相比无支护顶底板塑性区面积有显著减少，有明显的支护效果；锚杆排距为1000 mm 方案下的巷道顶底板塑性区面积略大，支护效果不好；无支护情况下断面收缩率为28%，在排距600 mm、800 mm 和1000 m 条件下断面收缩率分别为5.7%、7.2%和11.5%。综上所述，考虑巷道开拓成本、维护成本，选择锚杆排距为800 mm。

5 工业性试验

+1300 m 水平西翼回风大巷巷道按照半圆拱形断面：毛断面宽5200 mm，高4700 mm，其中帮2100 mm，拱形半径2600 mm，帮顶做100 mm 厚的320 混凝土喷浆。采用螺纹钢锚杆、锚杆排距为800 mm，锚索排距800 mm，锚杆间距800 mm，全断面布置，锚索间距1000 mm，每排布置5 根进行加强支护。为了检验模拟分析结论是否和工业实践监测结果基本相符，要求专人固定班次，采用尺子直接测量，顶板与底板垂直方向间隔200 mm 各设置一个点，每次测量读取，取平均值进行统计；两帮也是采用相同的方法进行平均统计取值。通过170 d 的监测记录并汇总监测数据，+1300 m 水平西翼回风大巷巷道中的顶底板移近量和巷道腰线两帮移近量监测结果如图6。

图6 留巷后围岩变形与工作面距离的关系

分析图6 可知，+1300 m 水平西翼回风大巷开拓后，巷道顶、底板相对位移量较腰线处两帮相对变形量更大，但是从总体数据上来分析，两帮和顶底板的总位移变化量并不算大，甚至可以说算比较小，即表明巷道围岩整体的绝对位移量算是比较稳定的。截至开拓完成170 d，巷道中间处顶底板最大位移量为143 mm，腰线处两帮最大位移量为77 mm。同时可以看出，围岩变形速率趋缓，位移速率明显下降，基本已经稳定下来了。通过监测表明，围岩变形速率趋缓，基本稳定，巷道能满足现场生产要求。

6 结论

通过对花草滩煤矿+1300 m 水平西翼回风大巷支护模拟分析与应用可以看出，巷道顶、底板位移量和腰线处两帮变形总体均不大，即表明巷道围岩整体的绝对位移量不大，同时围岩变形速率趋缓，位移速率明显下降，选用的支护方案满足安全生产需要。