深部大巷围岩支护优化设计研究

李春生

（汾西矿业集团生产处，山西 介休 032000）

1 回风大巷概况

图1 北翼回风巷预测剖面图（m）

掘进过程中实际揭露的岩层来看，巷道主要位于泥岩互层中，整体性差，分层明显且单层厚度薄，层间为砂质泥岩胶结，而且巷道施工中常遇到小的地质构造，如小断层、小褶曲等，工程条件差。结合现场区域构造情况，北翼回风大巷处于高应力及破碎围岩中，受滑动构造的影响，巷道成型差、施工困难，变形严重［1］。

2 支护方案的数值模拟分析

2.1 数值模型的建立

1）模型的建立。根据某煤矿北翼回风大巷的现场实际地质状况及覆岩特征将数值计算模型进行简化并留设合理边界尺寸消除边界效应，设计模型大小为50m×15m×100m（长×宽×高），模型共划分50 145个单元，54 992个节点。模型四个侧面为水平移动边界，底部为固定边界，上边界设为应力边界，载荷大小为700m埋深的上覆岩层自重约为17.5MPa，侧压系数λ＝1.5。

2）围岩力学参数。根据围岩力学参数试验测试结果，力学参数取值表（见表1）。

表1 模型力学参数取值表

3）模型支护参数。本次数值模拟，在模型中根据理论计算的支护方案进行数值模拟分析，锚杆采用Φ22mm×3 000mm间排距750mm×750mm；锚索采用Φ17.8mm×6 300mm间排距1 500mm×1 500mm。

2.2 数值模拟计算结果及分析

1）巷道围岩应力变化特征分析。巷道周围岩体在巷道开挖之后由三向受力状态转化为两向或近似两向的受力状态，且应力的重新分布造成了岩石强度的大幅度变化甚至降低。围岩水平应力、垂直应力及最大主应力的变化特征都可有效地映射巷道围岩系统的整体稳定性能［2］。在选取模型y方向7.5m处进行围岩应力的变化分析可更好地消除边界效应的影响。

第一，巷道围岩最大主应力分析。从图2和图3可以看出，巷道围岩最大主应力分布呈现出不均匀的分布特点，巷道周围4m以外应力达到17.5MPa，近似为原岩应力。巷道周围2m以内形成应力降低区，其值约为原岩应力的13%～53%，在巷道两帮及底板尤为明显，最小应力达到2MPa。

图2 巷道围岩最大主应力分布云图

图3 巷道围岩最大主应力分布等值线图

第二，巷道围岩垂直应力分析。从图4和图5中可以看出：大巷顶板锚杆锚固范围内垂直应力较小，其值约为原岩应力17.5MPa的30%～50%，其为应力降低区，分布明显呈非对称性分布，整体来看巷道右侧压力峰值及高应力区域范围都明显大于巷道左侧，巷道右侧应力峰值为26MPa，为原岩应力17.5MPa的1.5倍，巷道左侧应力峰值为22MPa，为原岩应力的1.3倍；距离巷道 左 帮1.5m 以 内 为 应 力 降 低 区，1.5～6.0m范围内为应力增高区；距离巷道右帮2m以内为应力降低区，2～8m范围内为应力增高区。

图4 巷道垂直应力分布云图

图5 巷道围岩垂直应力等值线图

第三，巷道围岩水平应力分析。从图6和图7中整体来看水平应力在巷道顶底板形成应力集中，在巷道两帮形成应力降低区域，并且底板的高应力区域明显大于顶板，右帮的低应力区域明显大于左帮［3］。

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图6 巷道水平应力分布云图

图7 巷道围岩水平应力等值线图

水平应力在巷道顶板2～5m范围内形成应力集中，应力峰值达到30MPa为原岩水平应力22.5MPa的1.3倍；在巷道底板3m～10m范围内形成应力集中，应力峰值达到30MPa为原岩水平应力的1.3倍；在巷道左帮2m范围内形成应力降低区，其值约为原岩水平应力的20%～45%，最小应力达到5MPa；在巷道右帮2.5m范围内形成应力降低区，其值约为原岩水平应力的20%～45%，最小应力达到5MPa。

2）巷道围岩位移特征分析。

第一，巷道围岩顶底板位移量特征分析。从图8和图9中可以看出，巷道无支护的底板位移量显著大于顶板，巷道顶板位移量最大达到40mm，底板最大位移量达到140mm，大约是顶板位移量的3.5倍。符合水平应力在底板高应力区域显著大于顶板的特征。

图8 巷道围岩z方向位移云图

图9 巷道围岩z方向位移矢量图

第二，巷道围岩两帮位移量特征分析。从图10和图11中可以看出，巷道右帮位移量明显大于左帮，左帮最大位移量达到50mm，右帮最大位移量达到80mm约为左帮位移量的1.6倍，符合巷道右侧垂直应力分布的高应力区域大于左侧的特征。

图10 巷道围岩x方向位移云图

图11 巷道围岩x方向位移矢量图

图12 巷道围岩塑性区分布图

第三，巷道围岩塑性区特征分析。从图12可以看出，巷道围岩塑性区范围在巷道周围2m范围内，并且都在锚杆、锚索的控制区域以内，说明这种支护方式起到了很好的支护效果，控制了围岩塑性区的发展。但是高水平应力影响下巷道底板由于未进行有效的支护措施，导致底板位移塑性区范围达到底板以下6m左右，需要加强底板支护措施［4］。

3 支护方案优化

3.1 一次支护参数设计

一次支护设计采用锚杆支护方式。

1）锚杆及锚固剂：锚杆采用Φ22mm×3 000mm型，巷道下帮肩部锚杆矩形布置间排距为650mm×750mm，巷道上帮肩部锚杆矩形布置间排距为750mm×750mm，巷道两帮锚杆矩形布置间排距750mm×750mm，其中接近底板下帮锚杆下扎45°，上帮锚杆下扎30°。锚杆外露长度50mm，每根锚杆配2卷中速Z2350树脂锚固剂加长锚固，托盘采用150mm×150mm的正方形8mm厚钢板压制成弧形，锚杆均采用配套标准螺母紧固，每根锚杆锚固力不小于12t。加大锚杆预紧力起到主动支护的效果，预紧力应达到3～5t。

2）网片设计采用钢丝网，网要压茬连接，搭接不小于100mm，相邻两块网片之间用10号铁丝相连接，连接点布置均匀，间距200mm。

3）射混凝土采用普通硅酸盐水泥，砂为纯净的中砂，石子颗粒直径为5～10mm。喷射混凝土设计抗压强度：C20，配合比为水泥∶砂∶石子＝1∶2∶2。速凝剂型号为J85型，掺入量为水泥重量的2%～3.5%，喷射厚度为150mm。

3.2 二次支护参数设计

结合巷道变形量累计值、变形速度、施工时间及施工工序等综合确定二次支护时间。

二次支护方式：“锚索＋W型钢带”加强支护，必要时增加桁架支护。

锚索参数：Φ17.88×6 300mm 锚索（钢铰线），锚固长度1 500mm，锚固力应达到300kN。

布置方式：锚索滞后迎面20m全断面打锚索，间排距1 500mm×1 500mm。

桁架暂考虑用“W”钢带，沿巷道纵向布置。

4 结论

通过对某矿北翼回风大巷破坏原因进行分析，提出了采用等强度锚网索主动支护体系，并通过FLAC3D数值模拟进行模拟分析，主要得出以下结论：

1）理论计算了巷道锚杆锚索各技术参数。锚杆采用 MSGLD－335／Φ22mm×3 000mm等强螺纹钢式树脂锚杆，2卷Z2350型中速树脂药卷加长锚固，间排距750mm×750mm，采用150mm×150mm的托盘；锚索采用Φ17.8mm×6 300mm的钢绞线，间排距1 500mm×1 500mm，每排3根；单根锚索配4根Z2350型中速树脂药卷加长锚固，托盘采用15mm厚钢板，规格300mm×300mm。

2）通过建立FLAC3D数值模型进行实验室模拟研究，分析得出在采用等强度锚网索主动支护后北翼回风大巷整体稳定性较好，巷道围岩塑性区及位移矢量范围减小，巷道变形得到有效地控制。但是高水平应力影响下巷道底板由于未进行有效的支护措施，导致底板位移塑性区范围达到底板以下6m左右，底板最大位移量达到140mm，需要加强底板支护措施［5］。

［1］ 张曙光.朝川矿一井回采巷道支护技术研究［D］.河南理工大学硕士学位论文，2012.

［2］ 柏建彪，侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究［J］.中国矿业大学学报，2006，35（2）：45－49.

［3］ 于学馥，郑颖人.地下工程围岩稳定分析［M］.北京：煤炭工业出版社，1983.

［4］ 高峰.地应力分布规律及其对巷道围岩稳定性影响研究［D］.江苏：中国矿业大学，2009.

［5］ 樊荣金.地应力在锚杆支护设计中的应用［J］.矿山压力与顶板管理，2004（1）：13－14.