孤岛工作面沿空巷道锚固体结构对巷道的影响

马占元

（太原理工大学，山西 太原 030024）

同煤集团晋华宫矿煤巷支护主要采用锚杆支护，部分条件不好的区段也采用了工字钢架棚支护，但生产实践表明，原有的支护参数不尽合理，对锚固体结构对巷道的影响认识不足，没有充分发挥原锚杆的作用，这样不但增加了巷道支护的直接成本，影响了巷道的掘进进尺。因此，研究煤巷锚杆与围岩的作用关系、认识锚固体结构对巷道的影响已成为本煤矿煤巷支护改革的关键问题。本文以同煤集团晋华宫某孤岛工作面为例，对锚杆支护后的巷道进行了支护效果模拟，利用压力拱理论对支护效果与锚杆与围岩的作用关系进行了讨论分析。

1 工作面沿空巷道维护特点

晋华宫矿某工作面与临近采空采空区距离较近，煤柱留设小，结合其它实体煤巷现在的锚杆支护实践，认为该巷道在维护过程中具有以下显著的特点：

1）巷道所处的外部力学环境相对有利。由于巷道两侧为采空区，因此本巷道基本上处于采空区的应力降低区中，这对巷道维护是有利的。

2）巷道围岩相对更加破碎。受临近工作面开采影响，巷道围岩在一定范围内的岩体会出现不同程度的破坏，这增加了巷道顶板维护的难度。

3）两帮煤体的维护难度较大。尤其是煤柱侧的巷道由于临近工作面的开采，煤柱将承受较大的应力，容易破碎，是造成巷道较大变形的隐患。

2 锚杆支护保持巷道围岩锚固结构稳定的实质

压力拱作为一种承载结构，其稳定性取决于两个方面，第一是围岩所处的力学环境，第二是围岩自身的强度。围岩所处的力学环境是在地下工程开挖之后围岩自发形成的，很难改变，而锚杆支护实质是通过改变围岩自身的承载能力，使得巷道压力拱结构更加稳定。所以说，巷道结构的稳定性取决于锚杆对围岩强度强化的程度，锚杆对围岩强化程度越高，围岩结构越稳定。

一般而言，煤体强度比较低，软弱易破碎，锚杆的作用范围一般处在围岩的塑性区域与破碎区域，从锚杆支护强度的角度来解释锚杆支护的实质，可以概括为以下两个方面：

第一、处于峰后残余强度中的岩体对于支护的反应程度是相当灵敏的，而锚杆的锚固范围一般处在这个区域内，因此，哪怕是微小的支护强度的增加，围岩的残余强度与极限强度都会得到很大的提升。所以，对于处在峰后残余强度中的锚杆来说，锚杆实质是通过有效的提高锚固区内的围岩的残余强度与极限强度来控制围岩的变形破坏。

第二、从围岩自身力学性质来说，较高的锚杆支护密度，相当于提高了围岩的弹性模量E、粘聚力C 和内摩擦角Φ，所以，提高锚杆的支护密度即相当于提高支护强度，锚杆与围岩共同组成的巷道围岩小结构的稳定性也得到了提高〔35〕。

所以，锚杆支护的实质其实是两个方面，一是合理的预紧力提高了破碎区围岩的残余强度和极限强度，二是较高的支护强度提高了巷道围岩自身小结构的稳定性。

3 锚固体结构的数值模拟

1）锚杆及锚索支护参数的确定

针对该巷道实体煤巷道的维护特点，通过悬吊理论计算，并结合本区的情况，锚索间距确定为1600mm，对该孤岛工作面两巷的锚杆支护参数进行了计算，最终确定锚杆长度为3m，间排距为700mm×700mm，巷道锚杆支护断面见图1。

图1 巷道支护断面

2）边界条件及力学参数的确定

模型计算时，前后固定y方向位移，左右固定x方向位移，底部为全约束。模型顶部施加垂直荷载，其值根据模型之上的岩层厚度由公式σ=γh计算得出。计算模型的力学边界条件见图2。

图2 边界条件

各岩层物理及节理力学参数如表1所示。

表1 煤岩物理力学参数

3）模拟结果分析

在此基础上，利用FLAC3D对锚杆支护后的巷道进行了支护效果模拟，孤岛面沿空巷道锚杆支护模型的建立过程为，在临近各工作面依照顺序依次开挖计算后，将两巷一次掘进完成，打入锚杆后再开始计算平衡状态。锚杆长度及间排距参照图1。在计算完成后，记录锚杆支护后巷道截面的水平应力云图，切向应力云图及垂直应力云图，根据应力分析法，可以分别确定出支护后巷道截面压力拱拱结构的拱顶点、拱腰点和拱座的关键点，将各图结果绘于同一图中后，可得锚杆支护后的巷道围岩压力拱结构（见图3）。

图3 支护后的巷道压力拱形态

由以上利用压力拱结构的应力分析法确定出的有锚杆支护的巷道压力拱的结构形态，对比支护前的巷道压力拱结构，各关键点位置情况见表2。以下分别从拱顶，左半拱及右半拱三个方面对支护前后压力拱结构的变化情况进行分析。

（1）拱顶，支护前孤岛工作面下风巷的巷道围岩压力拱的拱顶位置在10.1m 处的老顶上部，在打入锚杆后，拱顶高度下降至距巷道底板8.1m 的位置，位于老顶中部，其高度相对于支护前减小了2.0m。

（2）左半拱位于煤柱侧，该侧拱拱座处外边界支护前距巷道帮部的距离为2.9m，在支护后，其位置向巷道外侧移动了0.2m 的距离。对于左半拱拱座处的内边界线位置而言，支护前其位置距巷道内帮的距离为1.1 m，支护后，其位置向巷道内侧移动了0.2 m 的距离。可以看出，支护后，巷道围岩中的压力拱内边界内缩，外边界外扩，拱带宽度变厚了，与支护前的最大拱带宽度1.8m 相比，支护后，最大拱带宽度达到了2.2m。此时的压力拱左半拱结构承载能力加大，稳定性变强。

（3）对于支护前的压力拱的右半拱，其工作处外边界线的位置距巷道帮部距离为9.7m，锚杆支护后，该关键点位置也有向巷道外侧移动的趋势，但移动幅度较左侧而言更加明显，支护后的巷道压力拱右半拱的外边界线距巷道帮部的距离为8.1m 增加了1.6m 的距离。其内边界与左半拱近似，在支护前的位置距巷道右帮的距离约为7.2 m，支护后也有向内收缩的趋势，但其向内移动距离值为1.8m。

以上数值模拟可知，锚杆支护后，新压力拱的各关键点位置朝着拱高降低，拱带厚度增加，拱体向巷道内侧收缩的有利状态变化。这说明在锚杆支护，压力拱结构更加稳定了，围岩的自身承能力增强。

4 结语

1）锚杆与围岩的作用关系包括两个方面，一是提供高阻力以保证浅部围岩的破碎向深部转移的速度减慢；二是与对围岩变形让压，这是锚杆与围岩共同组成的巷道结构能否长期有效的稳定的关键。

2）对围岩变形提供高阻力，锚杆合理的预紧力是锚杆支护能否有效的抑制围岩浅部破碎岩体向围岩深部移近的关键，同时也是保证锚杆作为一种主动支护方式的前提条件。

3）在预紧力允许范围内，实现对围岩一定让压，是锚杆支护能否长期有效支护住围岩的关键，在预紧力允许范围之内的让压，是巷道锚杆支护能发挥其支护作用的重要保障。

4）通过数值模拟的方法确定了巷道锚杆支护后的巷道围岩结构的形态，支护后的巷道围岩结构各关键点的位置均朝着使得拱结构更加稳定的方向变化，围岩的自身承载力增强。

5）分析了沿空掘巷围岩稳定的基本原理，沿空巷道的稳定取决于围岩锚固体小结构与巷道上覆岩体大结构之间的相互作用关系，围岩小结构的稳定是保持沿空掘巷稳定的根本。

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