厚煤层小煤柱巷道采掘交锋前后支护体受力研究

郭东煜

（同煤集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

在矿井开采中，各工作面间的保护煤柱成为制约煤炭开采率的重要因素，尤其是在厚煤层中，小煤柱的应用逐渐得到推广，但与此同时，另一个问题--采掘交锋越显突出。众所周知，随着煤柱尺寸的减小，临近工作面回采产生的侧向支承压力对巷道掘进的影响程度不断增加〔1-3〕，而能否采取合理的支护措施成为影响煤矿安全生产的重要因素。

本文以同煤集团晋华宫矿12-3＃层301盘区8107工作面为研究对象，利用FLAC3D〔4-5〕软件模拟研究厚煤层在留设小煤柱时采掘交锋前后锚网支护体的受力变化规律，为巷道合理支护方案的设计提供参考。

1 工程概况

8107工作面北部为12-3＃层301 盘区5109（未掘巷道）；东部至12-3＃层301盘区轨道巷，南部为正在回采的12-3＃层301盘区8105工作面，西部为实体，也是巷道掘进方向。根据生产安排，在8105工作面回采的过程中，需要开掘8107工作面的5107巷道（见图1），5107巷道与2105巷道间煤柱宽度12m。

12-3＃煤层平均埋深325m，厚度2.0～6.09m，平均4.05m，结构较复杂，普含一层夹石，呈“楔状”分布，倾角2°～6°，平均4°，老顶上部为黑灰色细砂岩，下部为黑色砂质页岩，致密状结构，厚9.34 m，直接顶为灰黑色细砂页岩，成分有石英、长石，次为黑色矿物，含炭中薄层砂质页岩，下部水平波状层理较发育，厚2.10m，底板为深灰色砂质页岩，致密状结构，岩层厚度较大。根据地质勘查结果，该层煤体没有明显的构造应力，围岩应力以自重应力为主。

5107巷道断面形式为矩形，宽4.5m，高2.8m，设计采用锚网支护，设计长度600m，施工时沿12-3＃煤层顶板掘进，煤层厚度2.9～3.2m 时，见顶见底掘进；当煤层厚度大于3.2m 时，沿顶留底掘进。为了后续分析的方便，在横断面图中对锚杆锚索进行编号，从左帮到右帮，顺时针依次编号锚杆为1＃～8＃，锚索为9＃和10＃（见图2）。

图1 采掘巷道平面位置

图2 5107巷支护设计横断面

2 采掘交锋前后支护体受力变化研究

2.1 模型的建立

采用岩土工程专用数值模拟软件FLAC3D进行研究，以煤层下底面中心为原点，x轴正、负方向各取25m，y方向取单位长度，z轴正方向取30m，负方向取25m，煤柱部分为x=2.25～14.25m 部分，右侧14.25～25.0m 范围内模拟8105 面的回采。按平均岩体容重2.5kN／m3计算，模型上表面施加竖向应力7.0 MPa模拟上部的岩层自重，侧压力系数取0.5，施加水平应力3.5 MPa，上部自由面，其余五面均采用滑动铰支座的位移边界。为了降低计算工作量，而又不影响研究效果，采用渐变单元进行网格划分，巷道周围单元格划分较密，向外尺寸逐渐增加，共划分8670个单元，17716个节点，采掘交锋模型见图3。

图3 采掘交锋模型

2.2 采掘交锋前支护体受力分析

采掘交锋前，巷道开挖稳定后，锚杆受力及围岩位移见图4-a，利用FLAC3D自动的fish函数提取锚杆锚索的受力量值，以锚固端为起点，做出不同位置处锚杆轴力的分布见图4-b。

图4 采掘交锋前锚杆轴力分布

由图4-a可知，由于没受到临近工作面回采的影响，沿巷道中心线对称的锚杆锚索受力量值相同，顶板锚杆的轴力明显小于两帮。根据图4-b，锚杆锚固段轴力随锚固长度的增加呈线性增长；左帮1＃、2＃锚杆轴力43.73kN和38.25kN，前者为后者的1.14倍，可见越靠近两帮中部，锚杆受力越大；在顶板锚索的存在下，顶板锚杆受力基本相同，为16kN 左右，约为两帮的2／5，但顶板锚索轴力达到71.33kN，为两帮锚杆的1.6～1.9倍，约为顶板锚杆的4.5倍，可见锚索的安装承担了顶板下部不稳定岩层的绝大部分自重。

2.3 采掘交锋后支护体受力分析

采掘交锋后，锚杆轴力分布见图5。

图5 采掘交锋后锚杆轴力分布

由图5可知，8105工作面回采后，侧向支承压力使得5107巷围岩应力不再对称，从下往上，左帮2根锚杆轴力分别为60.7kN 和50.6kN，右帮对称位置锚杆自由段轴力为62.5kN 和46.8kN，与左帮相比，右帮距离8105面更近，煤帮中部锚杆轴力较左帮大，而靠近顶板锚杆的轴力刚好表现出相反的规律。

在巷道顶板，从左向右，4根锚杆最大轴力分别为16.6kN、16.3kN、16.1kN 和15.5kN，呈线性降低，但降低幅度不大，究其原因，主要是由于5107 巷顶板多为砂岩，强度和完整性都较高，使5107巷顶板呈现出一个“岩梁”，在8105面侧向支承压力的作用下，“岩梁”发生整体的沉降，其内部各岩层之间的相对位移变化较为均匀，图5-a中围岩位移的分布也同样说明了这一点。

2.4 采掘交锋对支护体受力的影响

综合图4-b和图5-b，可以发现，锚杆锚索自由段轴力保持最大，将相同位置锚杆锚索采掘交锋后最大轴力与交锋前量值进行比值，分析交锋对支护体受力的影响（见图6）。

图6 采掘交锋前后锚杆锚索轴力反比

由图6可知，采掘交锋后，煤帮中部锚杆轴力为交锋前的1.39和1.43倍，右帮轴力变化较左帮大，并且越靠近顶板，锚杆轴力变化程度越小；在顶板围岩中，采掘交锋前后顶板4根锚杆和2根锚索的轴力之比均在1.0左右波动，进一步验证了顶板整体“岩梁”的存在。

考虑到采掘交锋后煤帮中部锚杆轴力较大，增长幅度剧烈以及麻花头锚杆承载力较大，在实际施工中，将巷道每帮的2根锚杆增加到3根，间距从1000mm 降低到800 mm。现今，8107工作面已经顺利开始回采，5107 巷围岩保持较为稳定。

3 结语

采掘交锋对煤帮中部锚杆轴力影响较其他部位大；采掘交锋影响前后煤帮中部锚杆轴力的反比量值为1.4左右，均大于其它部位锚杆（索）轴力的增加比例，同时，鉴于锚杆自身的承载力，在实际施工中，适当增加帮部锚杆的用量，有效的保持了5107巷的稳定性。

〔1〕郜进海，康天合，靳钟铭，等.巨厚薄层状顶板回采巷道围岩裂隙演化规律的相似模拟试验研究〔J〕.岩石力学与工程学报，2004，23（19）：3292-3298.

〔2〕侯圣权，靖洪文，杨大林.动压沿空双巷围岩破坏演化规律的试验研究〔J〕.岩土工程学报，2011，33（2）：265-268.

〔3〕郝进海.薄层状巨厚复合顶板回采巷道锚杆锚索支护理论及应用研究〔D〕.太原：太原理工大学，2005.

〔4〕何满潮，王晓义，刘文涛，等.孔庄矿深部软岩巷道非对称变形数值模拟与控制对策研究〔J〕.岩石力学与工程学报，2008，27（4）：673-678.

〔5〕汪成兵.均质岩体中隧道围岩破坏过程的试验与数值模拟〔J〕.岩土力学，2012，33（1）：103-108.