同煤某矿进风巷支护机理及数值分析研究

杨 军

（同煤集团四台矿机掘二队， 山西 大同 037007）

随着我国采煤技术的日益发展及煤炭资源的日渐紧张，煤矿开采作业深度不断加深，巷道布置也因含水层、瓦斯涌出量等地质环境变得越来越复杂。由于受到复杂巷道应力场及采掘扰动应力场的影响，巷道采掘进后处于塑性大变形阶段，当地质条件复杂时，若采用常规支护设计难以满足巷道稳定，从而发生井下安全事故。目前井下巷道支护设计主要依赖提高锚杆刚度、强度及增加支护锚杆数量等方式，而往往对护表强度不够重视，这就造成了高成本支护后还会发生顶板冒落等情况[1]。

金属网作为巷道护表常见于各种巷道的支护方案中，但是常常出现金属网破裂、巷道顶部垮落等情况，其主要原因是该支护方案设计过程中只是将金属网作为功能性配件，而未将锚杆和网进行强度耦合分析，造成了金属网未达到提高支护强度的目的[2]。

本文对同煤集团某矿进行研究，该矿工作面在进入采空区后变形剧烈，巷道顶板靠近采空区侧下沉明显，煤柱侧显著破裂，巷道两帮和底鼓严重。因此，该矿工作面采用锚杆、网耦合支护。

1 锚杆、网耦合支护机理

在复杂地质环境的巷道支护设计时，多种支护方式并不能只是简单的叠加，而需对各种支护方式进行充分研究，优化支护机理。通过各支护方式的机理耦合，达到各支护方式的优势互补以提高围岩的稳定性[3]。

金属网与锚杆的耦合支护，主要是利用网的低强度面支护与锚杆的高强度点支护相结合，在锚杆作用不到的围岩部分，金属网能提供足够的承载力。

在巷道围岩支护时，护表网终端承载力散装分布于各锚杆，同时，锚杆的支护范围与锚杆长度、直径、托盘尺寸及预紧力等因素有关，在锚空区金属网作为护表网对破碎围岩进行支护，护表网受到碎落围岩载荷时，形成网兜[4]，如图1 所示。

图1 护表网兜示意图

护表网参数包括金属丝直径D、金属材料强度σ、金属网长度L、网宽B、金属网目数及网孔形状。对于金属丝而言，可分为非接触段AB、CD段与接触段BC段，AD段长度为金属丝形变前长度。下面对金属网丝进行分析，根据静平衡围岩均布载荷在BC段的力与金属丝在竖直方向合力相等，即，

式中：Tr为AB段金属丝拉力；Pr为破碎围岩重力；a为AD段长度；H为网兜下沉量。

由上式可以看出，网兜下沉量与网格尺寸成正比，其比例系数为tanβ。根据材料力学，

式中：σ 为金属丝拉应力；S为金属丝横截面积；E为弹性模量。

因此，提升护表网金属丝横截面及其弹性模量可有效减小围岩网兜下沉量，提高金属网护表能力。

护表网有效提供围岩护表能力的判定依据为网片承受载荷大于破碎围岩对护表网所施加的载荷，此时护表网可与锚杆达到耦合支护状态，两种支护手段均发挥其支护作用。因此，锚杆间排距的选择可直接影响是否达到强度耦合的状态。对于破碎围岩，可将其体积简化为[5]：

式中：L为锚杆间排距的一半；α 为四棱状破碎围岩锥角。

2 进风巷数值分析研究

根据该工作面进风巷工程地质条件及其巷道环境参数，采用FLAC3D 软件对进风巷进行建模，模型取巷道轴向的水平垂直方向为X轴，巷道轴向为Y轴，高度为Z轴，巷道截面为4.5 m×2.5 m，巷道长度为50 m，建立模型如图2。

图2 进风巷分析模型

对模型分别采用如下两种方案进行支护：

1）方案一。锚杆支护，采用20 mm 直径长度为2.2 m 锚杆，间排距为1 m×1 m。

2）方案二。锚杆与菱形网耦合支护，采用20 mm直径长度为2.2 m 锚杆，间排距为1 m×1 m，菱形网为60 mm×80 mm，直径4 mm 铁丝网。

分别将上述两种方案设置为模型约束条件，并对模型进行仿真分析。得到如图3 仿真结果。

图3 巷道塑性区分布云图

由图3 可以看出，方案一采用锚杆单独支护条件下，巷道四角塑性区较大，采用方案二锚杆与菱形网耦合支护条件下，塑性区显著缩小，两帮塑性区有增大趋势，但总体较小。因此，锚杆+金属网耦合支护可有效改善围岩塑性区分布，对巷道形变量可有效控制。

下面对围岩应力进行进一步仿真，得到如图4所示。

图4 巷道围岩应力分布云图

由图4 可以看出，方案一采用锚杆单独支护条件下，应力峰值出现在顶板应力集中区域，值为5.6 MPa；采用方案二锚杆与菱形网耦合支护条件下，巷道围岩应力集中现象有所减弱，顶板应力集中区扩大，应力峰值降为4.3 MPa。因此，锚杆+金属网耦合支护有效改善了巷道围岩应力分布状态。

3 结论

通过对锚杆与金属网耦合机理分析及巷道支护仿真，得到如下结论：

1）对金属网作为护表网在巷道支护中的作用进行分析，得到金属网可与锚杆进行强度耦合，提高巷道支护能力。

2）建立了金属网丝对破碎围岩的受力模型，并对模型进行分析，得到金属网参与耦合支护的判定依据，并给出金属网参数选择方法。

3）通过对同煤某矿工作面建模仿真，得到金属网与锚杆耦合支护可有效改善巷道围岩塑性区分布，这也是同煤集团现阶段各矿采用此种支护方式的原因。

4）通过对巷道围岩应力云图分析，得出金属网与锚杆耦合支护可有效减小巷道围岩应力峰值，提高巷道支护的安全性和稳定性。