巷道围岩支护参数优化研究

姜志亮

（晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我国作为世界上人口最多的国家，煤炭资源的消耗量一直居高不下，据统计煤炭占我国一次能源消耗量的7 成左右，同时我国矿井多为井工开采，在煤炭资源的开采过程中会遇到较多问题。掘进和回采是影响煤矿安全生产的重要环节。我国大中型煤矿年掘进巷道总长度约为8 000 km，其中约有80%以上的巷道在煤层中掘进，由于巷道岩性较为软弱，所以对巷道进行合理的支护十分重要[1-2]。在巷道支护过程中，当支护强度不足时，巷道围岩变形很难得到有效控制，巷道开采安全得不到有效的保障，而支护强度过大时，此时虽然巷道围岩的稳定性得到有效的保护，但会增大支护成本，降低矿山企业的经济效益，所以确定支护的合理参数对巷道稳定性维护及企业经济效益保护均有着至关重要的影响[3-4]。本文利用数值模拟软件对不同锚杆支护参数下的支护效果进行分析，确定最佳支护参数，为矿井安全高效开采提供参考依据。

1 模型建立

某矿现主采煤层为6 号煤层，煤层的厚度为3.4～5.6 m，煤层平均厚度为4.2 m，煤层倾角为0～2°，为近水平煤层，煤层的伪顶由泥岩和炭质泥岩组成，伪顶的厚度在1～3 m，巷道直接顶为砂质泥岩和粉砂岩组成。粉砂岩、细砂岩组成巷道的老顶。巷道的底板伪底与伪顶岩层岩性类似。巷道直接底由粉砂岩组成。

为了对工作面支护方案进行设计，利用模拟软件对支护参数进行模拟研究，首先进行模型的建立，根据矿井实际地质情况建立模型长、宽、高分别为285 m×300 m×200 m。对模型进行网格划分，在进行网格划分时将靠近巷道位置的部分进行细化分，完成网格划分，共计1 501 250 个单元及1 577 345 个节点。对模型进行约束设置，固定模型X、Y、Z 方向的垂直水平方向位移。在模型的顶端施加垂直均布荷载8.6 MPa。本文模拟螺纹锚杆密度为7 900 kg/m3，锚杆弹性模量为200 GPa。

2 模拟结果

首先对不同锚杆长度下巷道围岩支护效果进行分析。

由图1 可以看出，采用全长锚固时，当锚杆长度为1 900 mm 时，巷道支护顶锚杆和帮锚杆全部处于塑性区内，此时巷道支护方案难以发挥锚杆的支护能力，支护效果较差；当锚杆长度增大为2 200 mm 时，巷道帮锚杆的锚固段部分打入至岩石的稳定层内，此时锚杆具备一定的支护能力，而巷道顶锚杆则全部处于塑性区内；当锚杆长度增大至2 500 mm 时，此时巷道帮锚杆的锚固段打入稳定岩层中，顶锚杆处于塑性区内，顶锚杆的锚固段未进入稳定岩层中；当锚杆长度增大为2 800 mm 时，此时帮锚杆锚固段打入稳定岩层的长度进一步增大，而顶锚杆的锚固段未进入稳定岩层。所以在进行全长锚固时，必须将锚杆的长度设定超过2 200 mm。

图1 不同锚杆长度下巷道围岩塑性云图

对全长锚固下不同锚杆间距下巷道围岩变形进行研究，绘制不同锚杆间距下巷道围岩变形曲线如下页图2 所示。

从图2 可以看出，随着锚杆间距的不断减小，巷道两帮移近量、顶板下沉量均呈现逐步降低的趋势，而底鼓量呈现相反的趋势。当锚杆的间距为750 mm时，此时巷道两帮的移近量为192 mm，巷道顶板下沉量为112 mm，巷道的底鼓量为128 mm，而当锚杆的间距增大至850 mm 时，此时巷道两帮的移近量为202 mm，巷道顶板下沉量为121 mm，巷道的底鼓量为121 mm。锚杆的间距增大至900 mm 时，此时巷道两帮的移近量为206 mm，巷道顶板下沉量为123 mm，巷道的底鼓量为119 mm。当锚杆的间距增大至1 000 mm 时，此时巷道两帮的移近量为260 mm，巷道顶板下沉量为136 mm，巷道的底鼓量为110 mm。综合分析可知当锚杆的间距设定小于900 mm 时，此时继续加密锚杆密度并不会取得较好的效果，巷道围岩变形量变化幅度较小，而当锚杆间距大于900 mm时，此时降低锚杆间距能够大幅度降低巷道变形量，所以考虑到安全及矿井经济效益的情况下，选定全长锚固时锚杆间距为900 mm 最佳。

图2 不同锚杆间距下巷道围岩变形曲线

对全长锚固下不同锚杆排距下巷道围岩变形进行研究，绘制不同锚杆排距下巷道围岩变形曲线如图3 所示。

图3 不同锚杆排距下巷道围岩变形曲线

如图3 所示可以看出，随着锚杆排距的不断减小，巷道两帮位移量、顶板下沉量均呈现逐步降低的趋势，而底鼓量呈现相反的趋势。在全长锚固条件下，当锚杆排距为900 mm 时，巷道两帮的移近量为220 mm，巷道顶板下沉量为120 mm，巷道的底鼓量为90 mm，而当锚杆的排距小于900 mm 时，此时缩小排距，对于巷道整体变形量的作用较小，巷道围岩的变化量均小于15 mm。当锚杆的排距设置大于900 mm 时，此时巷道变形量会快速增加，巷道的整体性无法得到保证，支护效果较差。所以在综合考虑巷道围岩各位置的围岩变形因素，确定全长锚固时，巷道锚杆设置排距为900 mm 最佳。

根据上述模拟结果对巷道支护进行优化，在原有支护方案的基础上对岩帮及顶板采用Φ20 mm×2 200 mm 的螺纹钢锚杆进行支护，锚杆的间排距设定为900 mm、900 mm，每排8 根，8 根锚杆全部垂直于断面进行布置，同时采用6 支K23/35 树脂锚固剂进行锚固，设定岩帮及顶锚杆的扭矩不低150 N·m。在巷道煤帮支护选用Φ27 mm×2 200 mm 的玻璃钢锚杆，锚杆的间排距设定为900 mm、900 mm，每排4根，锚杆均垂直于巷道断面布置，同样采用K23/35 树脂锚固剂进行锚固，预紧扭矩大于150 N·m。巷道的顶锚索采用Φ18.9 mm×10 000 mm 矿用锚索，锚索间排距设定为1 800 mm、1 800 mm，锚索每排布置3 根，同样采用K23/35 树脂锚固剂，设定锚索预紧力180 kN。完成支护后对支护效果进行分析，监测顶板离层量如图4 所示。

图4 不同锚杆排距下巷道围岩变形曲线

从图4 可以看出，在距离工作面约85 m 时，此时巷道顶板的离层量突然增大，此时在顶板深度约5～10m 处，顶板离层量从40 mm 增大至45 mm。在距离顶板深度1.5～3 m 的位置，顶板离层量从32 mm 增大至38 mm。而在距离工作面20 m 位置时，此时顶板的离层量开始发生剧烈变化，在顶板深度5～10 m 处及1.5～3 m 处，巷道顶板的离层量最大值分别为110 mm 和70 mm。所以可以看出，工作面超前影响距离约为85m，同时在超前20 m 范围内，影响较为剧烈。

3 结论

1）通过数值模拟软件对不同锚杆长度下的巷道支护塑性变形进行分析，发现当锚杆长度不小于2 200 mm 时，巷道变形能够得到较好的控制。

2）利用数值模拟软件对不同间距及不同排距下巷道围岩变形特征进行分析，确定最佳的间排距为900 mm、900 mm。

3）根据模拟结果设计了巷道的支护方案，经过验证发现，巷道顶板变形得到较好的控制，同时支护后工作面超前影响距离约为85 m，在超前20 m 范围内，影响较为剧烈。