泰山隆安矿某掘进工作面支护设计分析

王 强

(山西煤炭运销集团 泰山隆安煤业有限公司,山西 忻州 036600)

煤矿巷道掘进锚杆支护是掘进过程中一项关键技术，随着时代的不断发展，巷道支护方式由架棚支护发展至锚杆支护，由低强度锚杆支护发展至高预应力强力锚杆支护。支护设计方法也逐渐由工程类比发展至与理论计算、数值模拟相结合[1]. 泰山隆安矿通过对该矿某掘进工作面生产地质条件、地质力学参数等的分析，计算出巷道支护参数，并通过数值模拟进行验证。

1 支护数据测定

1.1 地质条件概况

泰山隆安矿位于河东煤田，其11#煤层位于矿井井田南翼，该煤层分为11#上和11#下两层。根据钻孔资料，某掘进工作面位于11#下煤层，平均厚度为2 m，直接顶为泥岩，泥质结构，平均厚度2.2 m；直接顶上方为11#上煤层，平均厚度为1.5 m；11#上煤层上方为泥岩，泥质结构，平均厚度为8.5 m；直接底为泥岩，泥质结构，平均厚度5.3 m；基本底为粉砂岩，粗粒结构，平均厚度3.22 m，该掘进工作面小断层发育。11#煤层地层综合柱状见图1.

图1 11#煤层地层综合柱状图

1.2 巷道围岩地质力学评估

地质力学测试主要研究围岩所处地质力学条件，常见的测试参数有垂直应力、最大水平应力、最小水平应力及最大水平应力方向。目前，常见的地应力测试方法主要有：应力恢复法、应力接触法、水压致裂法等。水压致裂法由于能直接测量绝对应力状态，测试空间范围较大，测量速度快等优点，较符合井下实测[2]，故本次围岩地质力学测试采用水压致裂法。

水压致裂地应力测量通常是在巷道围岩施工钻孔，在打好的钻孔中先用主水管将橡胶封隔器送到指定位置，然后注入高压水，将封隔器胀起，对两个封隔器之间的岩孔封闭。继续对封隔器之间的岩孔进行高压注水，直到将围岩压裂，压裂的方向即最大水平应力方向。测点布置图见图2，由图2可知，在某掘进巷道布置第一测点，在距离某掘进巷道较近处布置第二、三测点。第二、三测点均位于11#上组煤中。地应力测量结果见表1.

图2 测点布置图

表1 地应力测量结果表

根据地应力判断标准：0～10 MPa 为低应力区；10～18 MPa 为中等应力区；18～30 MPa 为高应力区；大于30 MPa 为超高应力区[3].

由表1可知，测点区域地应力场属于低应力区，支护难度不大。所有测站最大水平主应力均大于垂直主应力，属于σH>σV>σh型应力场[4]，在该应力场条件下，巷道轴向与最大主应力呈某一夹角时，巷道为最佳布置形式。

最优夹角可用下式计算：

(1)

式中：

α0—巷道轴向与最大主应力夹角，(°)；

σH—最大水平主应力，MPa，取7.93；

σh—最小水平主应力，MPa，取4.28；

σv—垂直应力，MPa，取5.05.

通过计算可知，α0=27.32°. 巷道轴向为正北，与最大水平主应力方向夹角为19.2°，与最佳布置方位相差8.12°.由相关研究结论可知，巷道方向与构造应力的方向之间的夹角小于25°～30°时，对巷道稳定性没有明显的不良影响[5]. 故地应力影响在某掘进工作面巷道设计中不予考虑。

1.3 巷道围岩窥视

围岩结构窥视主要是查看结构面发育程度，为锚杆和锚索长度选择及预应力水平确定提供理论依据[6].目前，常用的仪器主要有：光导纤维窥视仪和电子窥视仪。由于电子窥视仪具有更高的解相度，更远的有效长度及更清晰的影像，故本次窥视采用电子窥视仪进行窥视。测点一窥视结果如下：

1) 顶板0～2 m为泥岩，完整性良好。

2) 2.0～3.7 m为11#上组煤，完整性良好。

3) 3.7～6.1 m为泥岩，在4.9～5.0 m处有裂隙，其余位置完整性较好，局部有泥岩夹层。局部窥视效果图见图3.

图3 局部窥视效果图

1.4 巷道围岩强度测试

在测点一处利用围岩强度测试装置对巷道顶板以上及巷帮6.1 m范围内的煤岩体进行了原位强度测试。测试数据经过统计、分析和换算后可知：顶板0～2 m为砂质泥岩，强度平均值为90.61 MPa；2.1～3.7 m为11#上组煤，强度平均值为22.10 MPa；3.8～6.1 m为砂质泥岩，强度平均值为83.92 MPa. 测点一煤岩强度测试结果见图4.

图4 测点一煤岩强度测试结果图

根据图4，可对某掘进工作面提供以下参考依据：

1) 11#下组煤直接顶为泥岩，单轴抗压强度为90.61 MPa，强度较高，有利于锚杆预紧力和支护阻力的扩散，结合围岩窥视结果分析，该岩层自身承载能力好，有利于保持巷道顶板稳定。

2) 11#下组煤顶板岩层结构较多，锚杆尽量锚至11#上组煤，锚索锚至11#上组煤顶板。

1.5 支护参数计算及验证

结合现有施工材料，初步选取锚杆长度为2.4 m，锚索长度为5.3 m.

1) 锚杆长度计算。

L锚杆=L1+L2+L3

(2)

式中：

L1—外露长度，m，取0.1；

L2—锚杆自由端长度，m；

L3—锚杆深入稳定岩层长度，m，根据经验取值0.3[7].

L2根据加固拱理论，可知经验公式：

L2=N(1.1+B/10)=1.76 m

(3)

式中：

N—围岩稳定影响系数，m，一般为0.9～1.2，取系数1.1；

B—巷道跨度，m，取5.

综上，L锚杆=2.16 m，即锚杆长度不得小于2.16 m.

2) 锚索长度计算。

L锚索=La+Lb+Lc+Ld

(4)

式中：

La—锚索深入到稳定岩层的锚固长度，m；

Lb—需要悬吊的不稳定岩层厚度，m，取2；

Lc—托板及锚具的厚度，m，取0.16；

Ld—外漏张拉长度，m，取0.3.

La根据经验公式，可知：

(5)

式中：

K—安全系数，取4；

d1—锚索直径，mm，取17.8；

fa—锚索抗拉强度，N/mm2；取1 860；

fc—锚索与锚固剂的黏结强度，N/mm2，取15.

综上，L锚索=4.66 m，即锚索长度不得小于4.66 m.

通过计算可知，锚杆长度=2.16 m<2.4 m，锚索长度=4.66 m<5.3 m，初步选取的锚杆、锚索长度符合要求，且在不考虑其他因素的条件下，两者长度可适当减短。由围岩巷道窥视结果可知，顶板4.9～5.0 m处有裂隙，故锚索的长度不减短；由图1,3可知，11#下组煤直接顶厚度是不断变化的，为保证锚杆尽量锚至11#上组煤，锚杆取大值2.4 m.即，锚杆长度为2.2 m，锚索长度为5.3 m.

3) 支护方式。

某掘进工作面为矩形断面，沿11#下组煤底板掘进，掘进宽度5.0 m，高度2.7 m，掘进断面积为13.5 m2.

锚杆布置：锚杆排距1 100 mm，间距1 100 mm. 每排5根锚杆。

锚索布置：排距2 200 mm，间距1 800 mm，五花布置。

2 支护方式分析

FLAC3D软件在解决煤矿巷道设计问题上有一定的实用性[8]，一般情况下，支护设计分析主要采用其自带的CABLE单元。即通过FISH语言对锚杆、锚索赋值模拟预应力锚杆、锚索。

根据上述内容可知：某掘进巷道最佳布置方位与最大水平主应力方向相差8.12°，巷道变形受最大水平主应力影响，但影响较小。故数值模拟中不予以考虑。

2.1 模型范围及边界条件

根据实际地质条件，建立模型尺寸为30 m×10 m×27 m的FLAC3D数值模型。根据地应力实测数据，模型X轴方向施加7.93 MPa的应力；模型Y轴方向施加5.05 MPa的应力；模型Z轴方向施加4.28 MPa的应力[9]. 考虑建模需求煤岩层赋存情况测定了煤岩物理参数，见表2.

表2 模型煤岩物理力学参数表

2.2 支护合理性分析

由数值模拟可知：巷道顶板最大下沉量5 mm，巷道最大底鼓量3 mm，巷道顶板下沉量大于底鼓量，最大变形位置在巷道的顶板中部；两帮移近量基本相同，均为4 mm，移近量最大处均在两帮中上部。初始模型图见图5，巷道顶底板变形量见图6，巷道两帮变形量见图7.

综上，支护后巷道整体位移量很小，能满足巷道的使用要求，说明巷道的支护方式在强度上能满足工程实践需求。

图5 初始模型图

图6 巷道顶底板变形量图

图7 巷道两帮变形量图

3 结 论

1) 采用水压致裂法对巷道围岩地质力学进行测量，得出巷道布置方向与最大水平主应力方向夹角为19.2°，对巷道稳定性没有明显的不良影响。

2) 对巷道围岩进行窥视，查看结构面的发育程度，发现在4.9～5.0 m处有裂隙。

3) 对巷道围岩强度进行测试，可以判断11#下组煤直接顶抗压强度较高，有良好的承载性；11#下组顶板煤岩层较多，应尽量将锚杆锚至11#下组煤，锚索锚至11#上组煤顶板。并经理论计算，结合实际情况，确定锚杆长度为2.2 m，锚索长度为5.3 m，并提出了支护方式。

4) 对上述支护方式进行数值模拟可知：巷道顶板最大下沉量5 mm，巷道最大底鼓量3 mm，巷道顶板下沉量大于底鼓量，最大变形位置在巷道的顶板中部；两帮移近量基本相同，均为4 mm，移近量最大处均在两帮中上部。在强度上能满足工程实践需求。