某煤矿煤巷支护优化设计分析

孙海波

(霍州煤电集团有限责任公司 吕梁公司木瓜煤矿，山西 方山 033100)

很多学者对锚杆支护技术在巷道中发展及应用进行了论述，大多集中在锚杆支护对巷道围岩的控制作用方面，有关锚杆预紧力大小对巷道稳定性影响的研究还不多，由锚杆拉拔力和预紧力检测试验得知，现场安装锚杆质量达不到安装质量的要求，造成了初期支护达不到预期的支护效果，致使巷道开挖初期变形过大，巷道破坏严重[1-2]. 由此为了深入了解锚杆预应力大小对巷道围岩稳定性的影响，进行了模拟实验研究。

1 工程背景

307工作面埋深为910 m，位于东二下山采区，东为东二采区未开发区；西为东二运输机下山及东二回风下山；南为东二采区未开采区；北为306采空区。根据地质资料得知，此区域的地质状况较为复杂，断层发育。煤层厚度2.6～3.0 m，平均2.8 m，平均倾角12°. 工作面煤层赋存稳定，煤层结构复杂，一般含2～3层炭质泥岩夹矸。煤层顶底板情况见表1. 307工作面平面图见图1.

表1 煤层顶底板岩性表

图1 307工作面平面布置图

图2 煤巷原支护方案示意图

2 煤巷原支护方式及破坏形式

2.1 原支护方式

煤巷采用锚网梁索联合支护方式，煤巷断面近似梯形，顶板顺煤层倾向开挖，为了保证净高不小于2.6 m，必要时进行破底。煤巷原支护方案示意图见图2.

顶板、两帮分别采用锚网索梁、锚网梁联合支护方式。

1) 顶板、两帮均采用无纵筋螺纹钢树脂锚杆，顶板安装5根，两帮安装9根。锚杆d20 mm，长为2.4 m，排间距均为750 mm×850 mm.

2) 顶板安装3根锚索，长度为9 m，d15.24 mm，间排距为1.7 m×0.85 m. 安装时外露长度不宜超过300 mm，使用锁具型号为MK-15，钢垫板厚度不小于8 mm、边长不小于100 mm，采用2.9 m长的18#槽钢。

3) 顶板两帮锚杆托板厚度分别为10 mm、8 mm，边长不小于150 mm. 锚杆螺母采用扭矩螺母，扭矩为150 Nm.

4) 金属网为12#铁丝机编菱形网，规格为长800 mm×宽1 100 mm；钢筋梯子梁采用直径不小于10 mm的A3圆钢。

2.2 煤巷围岩变形破坏特征与分析

该矿开采煤层水平深度为(-850 m)，煤层松散，顶底板岩性强度较差，为典型的深部高应力巷道，处于这种复杂环境下的煤层巷道更加难以维护，巷道变形严重，尤其是沿空掘巷。煤巷在开挖掘进及工作面回采过程中，由原来的高2.6 m×宽3.2 m，断面缩小为高1.4 m×宽1.8 m，顶底移近量平均为1～2 m，两帮收敛量平均为0.5～1 m. 矿区巷道顶板是较厚的复合顶板，顶板间夹有数层煤线，煤层内充满高浓度的瓦斯气体，煤体较松散，底板为岩性强度较低的炭质泥岩。在高应力的作用下，煤层巷道变形强烈，支护体失效。

3 锚杆预应力对围岩稳定性的影响

3.1 确定方案

为了研究方便，模拟实验只改变锚杆不同的预应力(具体参数见表2)，锚杆、锚索材质、材质特性等参数均来自现场使用的锚杆、锚索参数。

3.2 模拟结果对比分析

从各方案塑性区分布范围来看：

1) 随着锚杆预应力的增加，开挖巷道四周围岩和煤柱塑性区的面积逐渐减小，当预应力增加到60 kN，塑性区范围减小较明显。预应力再增加，塑性区面积减小不太明显。

表2 方案及支护参数表

2) 当锚杆预应力从10 kN逐渐增加到60 kN时，巷道围岩浅部(顶板、两帮)，拉伸剪切破坏程度有所减小；预应力从60 kN增加到100 kN时，拉伸剪切破坏范围变化不明显。预应力从10 kN增加到100 kN这个过程中，底板的拉伸剪切破坏程度逐渐增大，随之底鼓加重，原因是底板为整个巷道的薄弱部位。

3) 随着锚杆预应力的增加，实体煤帮侧的预应力锚杆周围煤岩体弹性区面积逐渐增大，底板煤岩体的塑性区深度有所增加，煤柱及煤柱上下方煤岩体的塑性区面积有一定的缩小[3-5].

由不同锚杆预应力大小模拟计算出的垂直应力云图见图3. 由图3可以看出：开挖巷道围岩浅部一定范围内是应力降低区，垂直应力约为10 MPa. 随着锚杆预应力的增大，巷道围岩应力降低区面积逐步增大，即应力集中区域向煤岩体深部转移。其中，巷道底板的垂直应力降低区向深部转移的较明显，从11.1 m延伸至8.5 m，且应力降低区的范围迅速增大，较高的应力被转移到了更深部的岩体。煤柱上的垂直应力明显减小，中部应力集中区域应力减小到20 MPa，面积约为整个煤柱宽度的1/2，应力大小从煤柱中部向两边逐渐减小到10 MPa. 且随着锚杆预应力的增大，煤柱上方的应力影响范围逐步增大，煤柱下方影响深度也随之加大，从14.6 m延伸至8.6 m.

由以上分析可知，锚杆预应力的大小对锚杆支护效果有着较重要影响。随着锚杆预应力的增加，巷道围岩四周的煤岩体及煤柱上下方的塑性区区域面积有较明显的减小，同时巷道围岩四周的煤岩体及煤柱上的集中应力都有明显的减小，且将较高的应力转移到了煤岩体的深部，使得整个沿空侧处于应力降低的区域，这对维护巷道围岩的稳定性有重要的作用。锚杆预紧力可以有效地提高围岩的承载能力和抗剪切能力，对维护巷道的稳定性有重要的作用。根据图3，并结合现场施工的实际情况，选择锚杆预应力为60 kN合适。

锚杆预应力从10 kN变化到100 kN，巷道围岩不同部位的变形量见表3.

表3 巷道围岩随锚杆预应力不同情况下的变形量表

随着锚杆预应力的增大，顶板下沉变形量由722 mm减小到427 mm，效果较明显，锚杆预应力从10 kN增加到60 kN这个过程中，顶板下沉变形量减小速率较大，减小量达到224 mm；从60 kN到100 kN这个过程中，顶板下沉变形量基本处于稳定状态，减小量只有71 mm. 巷道底鼓量总体只有25 mm，这是因为巷道顶板、两帮的煤岩体强度在锚杆预应力下得到了提高,有效地加固了顶板、两帮的煤岩体,但巷道底板是整个巷道的薄弱点,当上覆岩层压力通过两帮向无支护最薄弱的底板进行转移时,引起了底鼓,随着锚杆预应力的增大，固顶、固帮的强度加大，底板相对变为更加薄弱的环节，破坏步数也随之减少。由此可知，在煤柱10 m情况下，加强巷道顶板、两帮支护强度，底鼓依然较严重，在锚杆预应力为60 kN时巷道底鼓量变化是一个分界点。实体煤帮在锚杆预应力增加变化的过程中，变形量也较小，只有31 mm，锚杆预应力从10 kN增加到60 kN这个过程中，围岩变形趋势减小较明显，从60 kN到100 kN围岩变形比较平缓，沿空侧煤帮的围岩变形量变化较明显，从492 mm减小到350 mm，减小量达到142 mm. 不同锚杆预应力支护巷道围岩表面变形曲线图见图4. 由图4可以看出，锚杆预应力为60 kN时，亦是沿空侧煤帮变形量的一个分界点。

从以上分析可知，在煤柱宽度为10 m情况下，随着锚杆预应力的增加，巷道围岩的变形量得到了一定控制，但整个巷道的变形破坏依然较严重，所以仅改变锚杆预应力的大小不能有效地控制巷道围岩的变形。在原支护形式下，当锚杆预应力为60 kN时，巷道围岩的减小量基本趋于稳定。但是在现场的施工过程中，完全按照一个定值来进行施工是不现实的，且巷道围岩受具体环境因素影响，所以锚杆预紧力的值应是在一个范围内。从以上的模拟分析中，可以看出合理取值应是在50～70 kN，因为在这个范围内时巷道围岩的变形情况基本趋于稳定。

图4 不同锚杆预应力支护巷道围岩表面变形曲线图

4 新支护方案在巷道中的使用

从锚杆预应力对巷道围岩稳定性的分析得出，锚杆预应力取50～70 kN时，巷道围岩稳定性较好；从煤柱宽度大小对巷道稳定性分析可知，煤柱宽度在4～6 m时，巷道变形量较小，具有一定的稳定性，但采用原支护方案巷道的大变形仍得不到有效地控制。为此，根据巷道的受力变形特征，原支护方式失效的原因以及煤巷围岩控制原理，提出了新型的锚网梁+预应力桁架锚索梁联合支护方式，锚杆预应力取60 kN，煤柱宽度取5 m，模拟支护效果见图5.

图5 新支护模拟图

由图5 b)可以看出，整个塑性区相比原支护方式下塑性区面积有所减小，煤柱部分塑性区面积虽然分布范围大，但影响范围及深度相对比较小，整个巷道比较稳定。

由图5 c)看出，整个沿空侧均处在应力降低区，应力值为10 MPa，靠近采空区煤柱内有较小范围的值为20 MPa 的集中应力，对煤柱稳定性几乎没有影响；由图5 d)看出，沿空侧较大范围的水平应力为10 MPa，处于水平应力的降低区域。可见，改变巷道开挖位置，确定合理的锚杆预应力大小，采用锚网梁+预应力桁架锚索梁的联合支护方式可使巷道具有较好的稳定性。

巷道围岩变形量见图6.由图6可以看出，巷道在新方案支护形势下，不管是巷道两帮，还是顶底板的变形趋势均较为缓和稳定，变形都被明显抑制。顶板下沉量平均为205 mm，底鼓量平均为222 mm，实体煤帮变形量平均为255 mm，煤柱侧变形量平均为15 mm，煤柱侧的变形明显被抑制，顶底板及实体煤侧的变形量均在控制范围之内。从现场进行的工业性试验观测结果来看，现场采用新支护方案对巷道稳定性控制效果与模拟分析结果基本一致。

综合上述分析，307工作面沿空掘巷试验段巷道煤柱宽度取5 m，锚杆预应力取60 kN，采用锚网梁+预应力桁架锚索梁联合支护，为巷道最佳开挖和支护方案。

图6 巷道围岩变形量趋势图

5 结 论

运用FLAC 2D模拟程序分别模拟了锚杆预紧力大小、煤柱宽度大小对稳固巷道围岩的影响，得出两者对维护巷道稳定性有重要的作用，从模拟结果对照分析，结合现场施工实际，锚杆的预应力合理范围应在50～70 kN；煤柱宽度为4～6 m时既能够保证煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的稳定性，与理论计算出煤柱宽度基本吻合。从对307工作面沿空掘巷试验段采用锚网梁+预应力桁架锚索梁联合支护方式，巷道煤柱宽度取5 m，锚杆预应力取60 kN时模拟结果来看，巷道围岩的变形量得到了有效地控制，与现场试验效果基本一致。因此，此方案为巷道开挖和支护最佳方案。