破碎软岩支护设计数值模拟研究

李 新

（山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西 临汾 041200）

伊田煤业由于巷道埋深较深，矿山压力较大，且巷道围岩较为破碎软弱，围岩变形剧烈，顶板围岩管理难度较大。针对该矿井的地质条件，选用不同的支护方式进行数值模拟分析对比，从而确定合理的支护方案。

1 工程背景

伊田煤业主采2号煤层，煤层埋深640m，上距1号煤10.91～13.00m，煤层厚2.5～3.35m，平均2.98m，结构简单，中下部含一层夹石，顶板为泥岩，底板为粉砂岩，属全井田稳定可采煤层。

回采巷道断面一般采用矩形断面，宽4.0m，高3m，巷道布置在2号煤层中。

2 数值模型的建立及方案的确定

2.1 模型的建立

采用Mohr-Coulomb材料模型，巷道采用null单元模拟。巷道断面为矩形，模型尺寸为100m×40m×68m。巷道埋深H取640m。巷道模拟计算所涉及到的围岩岩层，均在实测巷道现场取样。模型假设各岩层为均质、各向同性材料。模型边界条件：采用笛卡尔三维坐标系，对模型的底部、左侧、右侧和前、后部设置法向约束边界，对模型的上部边界施加的作用视为均布荷载q，即上覆岩层的自重 。

2.2 方案的确定

考虑该矿实际条件，针对其岩层破碎软弱的性质，确定了以下四种支护方案，分别为：

方案一：锚网支护方案。锚杆规格为高强螺纹钢Φ20×2200mm，每个断面内5根顶锚杆，距离巷帮400mm，均匀布置在巷道顶板，间排距为800×800mm；每个断面内8根帮锚杆，布置于距离巷道顶板300mm、距离巷道底板300mm之间，锚杆水平布置，间排距为800×800mm。

方案二：锚网+顶板锚索支护方案。锚杆规格为高强螺纹钢Φ20×2200mm，每个断面内5根顶锚杆，距离巷帮400mm，均匀布置在巷道顶板，间排为800×800mm；每个断面内8根帮锚杆，布置于距离巷道顶板300mm、距离巷道底板300mm之间，锚杆水平布置，间排距为800×800mm。锚索规格为Φ15.24×7000mm，为了增大支护强度，锚索采用隔排布置的形式，间排距为1600mm×1600mm。

方案三：锚网+顶板锚索+巷帮锚索支护方案。锚杆规格为高强螺纹钢Φ20×2200mm，每个断面内5根顶锚杆，距离巷帮400mm，均匀布置在巷道顶板，间排为800×800mm；每个断面内8根帮锚杆，布置于距离巷道顶板300mm、距离巷道底板300mm之间，锚杆水平布置，间排距为800×800mm。锚索规格为Φ15.24×7000mm，顶锚索的间排距为1600mm×1600mm，帮锚索在巷帮中央布置，排距为1600mm。

方案四：锚网索+注浆支护方案。锚杆规格为高强螺纹钢Φ20×2200mm,每个断面内5根顶锚杆，距离巷帮400mm，均匀布置在巷道顶板，间排距为800×800mm；每个断面内8根帮锚杆，布置于距离巷道顶板300mm、距离巷道底板300mm之间，锚杆水平布置，间排距为800×800mm。锚索规格为Φ15.24×7000mm，顶锚索的间排距为1600mm×1600mm，帮锚索在巷帮中央布置，排距为1600mm。注浆锚杆以1600mm×1600mm的间排距均匀布置在巷道顶板，抗拉强度250kN，封孔采用快硬水泥药卷。

3 数值模型结果分析

3.1 破碎软岩巷道不同支护方案围岩应力特征分析

图1 不同支护方案下巷道围岩应力云图

图1（a）为锚网支护下的垂直应力云图，由图可知，锚网支护后，应力集中区域进一步向两帮浅部转移，巷道底板区域卸压较为严重。图1（b）为锚网+顶板锚索支护下的垂直应力云图，由图可知，通过锚索补强，使得顶板垂直应力卸压范围降低，底板卸压深度也有一定的减小，支护效果比锚网支护更好。但是从垂直应力图中同样可以看出顶底板及巷帮围岩的应力集中现象并没有实质性的改变。图1（c）为锚网+顶板锚索+巷帮锚索支护下的垂直应力云图，由图可知，加上巷帮锚杆以后，巷帮围岩和顶底板围岩的应力集中现象和采用锚网+顶板锚索支护的效果基本上相似。图1（d）为锚网+顶板锚索+注浆支护条件下巷道围岩应力云图，由图可知，锚网+顶板锚索+注浆支护弥补了锚网+顶板锚索支护对松散围岩控制的不足，进行底板注浆支护后，两帮卸压区域基本消失，同时底板卸压区域锐减，两帮应力集中区域进一步向浅部转移。

因此可以得知，通过采用锚网+顶板锚索支护配合顶板注浆支护，大范围改善了巷道围岩的力学特性，提高巷道围岩尤其是底板的承载能力，使得巷道形成了稳定均一的承载圈。

3.2 不同支护方案围岩变形特征分析

对不同支护方案的围岩变形进行监测，不同支护条件下巷道围岩顶底板及两帮最大移近量汇总为表1。

分析发现，对巷道进行锚网支护后，巷道顶板下沉量为800.00mm，顶板下沉量控制了20.49%，但是效果依然达不到设计工作的需求，巷道变形仍然较为严重。

在锚网支护的基础上进行顶板锚索补强支护以后，巷道顶板下沉量减小到了606.78mm，控制住了39.70%的移近量，支护效果明显见效。

在锚网支护的基础上进行顶板锚索补强支护以后，再在巷帮打一排锚索进行加强支护，顶板下沉量减小到了600.00mm，控制住了40.37%的移近量，支护效果明显，但和采用锚网+顶板锚索支护的方式相比，顶板的下沉量仅多控制了0.67%，并且巷帮水平位移并没有明显的改善，所以巷帮锚索支护的效果不是很明显。

在方案三的基础上进一步加强支护，即对巷道顶板和巷帮进行注浆支护。巷道围岩顶板下沉量减小到了280.97mm，控制了72.08%的下沉量。巷道围岩进入稳定状态后，巷道顶板最大变形2.39%，可见锚网+顶板锚索+注浆支护对控制巷道的变形非常有效，对于伊田煤业煤矿的特殊地质条件是较为有效的支护方案。

4 结论

以伊田煤业2号煤层破碎软岩巷道为研究背景，运用数值模拟的方法，分别对4种支护方案进行模拟。模拟结果显示，采用提高围岩自身强度的锚注支护在提高围岩自承载能力、控制巷道围岩位移等方面均优于单纯的锚杆支护和锚索支护，四种方案支护效果按从好到坏的顺序为：锚网+顶板锚索+注浆支护＞锚网+顶板锚索+巷帮锚索支护＞锚网+顶板锚索支护＞锚网支护，因此选定“锚网+顶板锚索+注浆支护”方案为最佳支护方案。

表1 不同支护条件下巷道顶板下沉量表