官地矿厚煤层围岩巷道支护研究

卢晋波

（山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿，山西 太原030022）

在煤矿生产中，因为巷道一般都布置于地层，受力条件复杂，随着机械化水平的提高以及开采深度的推进，巷道的变形量也更加严重，因此，及时有效的巷道支护成为控制巷道变形的重要手段。周刚、于岩斌、文金浩针对淄博矿业集团唐口煤矿巷道变形过大导致大量煤柱被压的现象进行分析，通过建立几何数值模型，在流固耦合方程以及多孔介质理论的基础上，利用煤层注水工艺达到了卸压的目的，在工程中取得了良好的效果[1]，张满华、张正新在现场调研以及数值分析的基础上，对煤矿深部巷道的失稳问题进行了研究，对支护方案进行了改进措施，并运用于实际。结果表明，巷道的两帮移动量和顶板的移近量都得到了很好地控制[2]，袁本庆、任启寒、徐遵玉采用相似模拟与数值模拟相结合的方法，分析了近距离煤层在开采过程中超前支承压力对于开采以及巷道维护造成的影响。研究表明，在开采过程中，应该及时进行采场动力的预防措施，有效地降低超前支承压力保证开采的顺利进行[3]，石必明、俞启香通过相似材料模拟实验，利用非接触式数字近景摄影技术对开采中岩层的微变形进行了研究，理论和实践得到了相同的结论[4]。

本文结合在理论知识以及现有技术的基础上，利用FLAC3D数值模拟软件对已有的方案进行了优化改进。改进后的方案有效地控制了巷道两帮以及顶板的移动量，有效地提高了巷道围岩的稳定性，为实际工程提供了指导。

1 研究背景

官地矿中四采区因9号煤顶板特别薄，部分地段无顶板，与上层8号煤直接相接，所以中四区回采时采用采9号放8号的放顶煤开采方式进行开采，在掘送过程中8号、9号煤叠加厚度达到6～8 m，所以对厚煤层掘进过程中的支护研究显得尤为必要。

2 围岩与锚杆锚索相互作用理论的研究

对于煤层的分类，把煤层厚度小于1.3 m的煤层为薄煤层，煤层厚度位于1.3～3.5 m的煤层为中厚煤层，厚度大于3.5 m的煤层称为厚煤层，习惯上把厚度大于8 m的煤层称为特厚煤层。我国厚煤层埋藏丰富且相对集中。目前厚煤层的开采方法主要有一次采全高采煤法，次方法适用于厚度较小的煤层，对于特厚煤层，煤矿多数采用“分层同采”与“分层分采”的开采方法，不论哪种开采方法，因为开采深度的增加以及厚煤层放顶等原因，对巷道支护的要求也越来越高，因此，研究围岩与锚杆锚索相互作用理论是必不可少的。

对于巷道支护，目前基本采用锚杆锚索联合支护方法，锚索支护虽然能很好地起到稳定破碎煤层，增强煤层的承载能力作用，但是因为其作用范围太小，不能对大面积的煤层起到加强强度的要求，所以单独使用效果并不佳。锚杆的支护强度以及范围相比锚索更小，单独使用效果会更差。因此，锚索锚杆联合支护是较好的支护方式。巷道掘进开挖时期，在应力作用下，煤层容易垮落甚至破碎，锚干的作用就是将破碎的煤层通过锚索的膨胀性将其固定于上覆稳定的岩层中。在束缚力的作用下，破碎的煤层具有一定的承载能力，随着巷道掘进的推进。在锚索的悬吊作用下，从而使支护达到一定的强度，在锚杆锚索的共同支护作用下，巷道达到稳定的状态。

巷道的支护不仅仅需要考虑锚杆锚索作用，围岩是重要的因素之一。在巷道稳定的过程中，也是围岩与锚杆锚索相互作用的过程，如图1所示。

图1 围岩—锚杆锚索相互作用原理图

从图1中曲线1可以看出，巷道的变形与支护载荷呈反比的趋势，即巷道的变形量越大，支护的载荷就越小，巷道的变形量越小，所需的支护载荷就越大，这与实际工程相符；而曲线2、3、4为锚杆锚索支护后的特性曲线，可以看出，锚杆锚索支护后的巷道变形量和所需的支护载荷都有了明显的降低。除此之外，还发现，在巷道的掘进初期，只要是锚杆发挥作用，锚杆固定软弱煤层增强其残余强度，随着掘进的推进以及岩层的重力作用，巷道会发生较大的变形，这时锚索发挥主要的作用，锚索的悬吊作用使得锚杆更好地发挥作用。在两者的相互作用下，巷道变形量得到很好地控制。通过曲线对比可以看出，支护后的围岩变形量在围岩表明位移为Uo后迅速降低，降低直至零。而未进行支护措施的巷道在一定的围岩变形后出现突增现象，这是因为采动厚煤层放顶煤工艺以及顶板垮落造成的冲击地压使得巷道受力突增，固巷道变形量也增大。由此可知，锚杆锚索联合支护的方式不仅可以达到围岩稳定的目的，还可以有效地减轻冲击地压对巷道变形带来的危害。

3 支护方案的数值模拟的研究

以上从理论的角度分析了巷道在人工的支护方案下，围岩会更加稳定，而目前传统的支护方案虽然能起到控制巷道变形、减少工作面来压等现象，但是对于厚煤层的开采，因为煤层厚度的增大，在放顶煤工艺进行时，巷道会承受重大的压力，当顶板垮落后，工作面液压支架的阻力会非常大，外加上覆岩层的重力作用，巷道的变形量会急剧增加，因此，合理的改善支护方案是维护巷道稳定性的必要措施。本节利用FLAC3D数值模拟软件对锚杆锚索支护方案以及锚杆+钢带+锚索支护方案进行了对比，具体模拟结果如图2、图3所示。

从图2可以看到，锚杆锚索支护方案下，锚固力最高达到23 MPa，在锚杆+钢带+锚索支护方案下，锚固力达到了接近30 MPa。可以看出，改善后的方案支护下的岩体整体承受载荷的能力上升。从图3中也可以看出，锚杆锚索支护下巷道两帮以及顶底板的受力都要大于锚杆+钢带+锚索支护下巷道所受的应力。分析其原因，传统的支护方案下，锚杆锚索前后期作用的相互配合下，巷道的变形量虽然会得到控制，但是因为采动的影响以及应力的长时间作用下，锚杆锚索强度也会有所下降；在锚杆+钢带+锚索支护方案下，因为钢带本身的强度很大，随着时间的推移，对于煤层的加固作用并不会有所下降；此外，它还加强了锚杆锚索之间的相互作用力，所以在整个支护过程中，围岩的锚固力会增强，巷道的稳定性因此得到保证，对工作面的推进以及设别的运行都提供了便利的条件。由此可知，改进后的支护方案在支护效果上更佳，可以在实际工程中进行推广运用。

图2 锚杆锚索支护方案下的巷道应力分布图

图3 锚杆+钢带+锚索支护方案下的巷道应力分布图

4 结论

在厚煤层开采的背景下，通过分析围岩与锚杆锚索相互作用的机理，成功地解释了锚杆锚索支护的优势，同时，利用数值模拟软件FLAC3D对支护方案进行了优化，得到以下结论：

1）厚煤层开采中，因为放顶煤工艺的实施以及巷道顶板垮落等原因，巷道必须进行支护措施保证掘进生产的正常进行。

2）巷道围岩以锚杆锚索相互作用理论表明，锚杆锚索在巷道掘进的前后期的相互作用有效地降低了的变形量，对于生产提供了便利。

3）利用FLAC3D数值模拟软件，对锚杆锚索支护方案以及改进后的锚杆+钢带+锚索支护方案进行了数值分析对比，研究发现，锚杆+钢带+锚索支护方案可以有效地提高围岩的锚固力，从而使巷道更加趋于稳定。