软岩巷道支护方案及数值模拟分析

韩 秀

（西山煤电西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

一直以来，煤矿安全生产备受煤矿企业以及作业人员的关注。我国煤炭资源分布较广，煤矿综采工作面的地质、水文以及煤层情况不尽相同。软岩巷道在我国分布较广，其支护问题一直是矿业工程的难点[1]。近年来，软岩巷道的支护和维修问题越发的突出，实现对软岩巷道较好的支护效果是保证煤矿开采和安全生产的基础。本文着重对某矿1201工作面软岩巷道进行支护设计，并对支护后的效果进行数值模拟验证。

1 工程概况

本文所研究煤矿为单一斜构造，工作面煤层呈东南-西北走向，煤层倾角范围为58°～70°，平均倾角为65°，属于急倾斜煤层。经现场勘测可得：该工作面的总长度为1 900 m，其中倾斜工作面的长度为190 m，现场可供开采的煤层面积初略估计有350 000 m2，而且综合分析煤层地质及水文条件，该工作面的煤层属于稳定煤层。

经现场勘测，1201工作面的顶底板情况如表1所示：

表1 1201工作面煤层顶底板情况

最大涌水量25 m3/h，正常涌水量为0～5 m3/h。瓦斯绝对涌出量为2 m3/min，煤尘爆炸指数：21.33%、煤尘具有爆炸性，自燃倾向性等级为Ⅱ级，易自燃。

目前，1201工作面的软岩巷道常出现冒顶事故，且巷道两帮的变形相对平缓，稳定期可持续25 d。因此，针对1201软岩巷道工作面的支护需注意以下三个方面：改善软岩巷道的物理力学性质，提升软岩巷道自身的稳定性；采用适当措施对工作面的透水进行疏散或者封堵，减少透水对软岩巷道的进一步软化；对软岩巷道进行支护后，尽可能地保证支架和软岩巷道紧密接触。

2 软岩巷道支护方案的设计

针对1201软岩巷道工作面当前支护方案下所存在安全问题，本文对1201软岩巷道工作面采用超前支护赫尔注浆加固的支护方案，提升软岩巷道的支护效果和质量[2]。

所谓超前支护指的是软岩巷道工作面设计一个拱形的连续壳体，实现对软岩巷道围岩变形的控制。根据加固措施的不同可将超前支护分为地层改良法和预支护法。地层改良法是对工作面周围地层土的特性；预支护法可提升软岩巷道的自稳定性。本文采用预支护法中的管棚支护对软岩巷道进行超前支护。管棚支护法需确定管棚的长度、钢管的规格以及管棚的开孔位置、环向间距等。

2.1 管棚尺寸参数的确定

管棚长度L：

式中：H为软岩巷道围岩的坍塌高度，取2.51 m；φ为软岩巷道围岩的内摩擦角，取26.21°。

将数值代入公式得出：管棚长度L=5.5 m。为保证软岩巷道支护在围岩特性较差的支护效果，将管棚长度适当加长，取管棚长度为6 m。

一般，在工程应用中管棚常选择无缝钢管，且直接一般在50～180 mm之间。此外，为提高现场管棚的施工效率，常将管棚分节制作，分节安装[3]。鉴于1201软岩巷道工作面的情况，选用无缝钢管的直径为50 mm，钢管壁的厚度为5 mm，每节钢管的长度为3 m。

2.2 管棚位置参数的确定

管棚开孔位置的确定需综合考虑管棚的施工效率和靠近开挖轮廓线的原则。而且，所选型管棚无缝钢管的直径为50 mm，属于小直径钢管。因此，将管棚无缝钢管的开孔距离确定为距离轮廓线300 mm。结合软岩工作面防水要求、施工精度以及围岩稳定性等多项原则，管棚环向间距一般为300～500 mm之间[4]。考虑到1201软岩巷道工作面围岩的破碎特点，确定管棚的环向间距为300 mm。

综上所述，针对1201软岩巷道工作面管棚支护参数所确定的支护断面如图1所示：

图1 软岩巷道工作面管棚支护断面图（单位：mm）

3 软岩巷道支护效果的数值模拟

为验证为设计管棚支护方案的效果和质量，基于FLAC3D软件对软岩巷道工作面采用管棚支护方案后工作面的应力情况进行模拟分析。

3.1 软岩巷道模型的搭建

根据1201软岩巷道工作面的尺寸和顶底板情况建立模型，所搭建的模型如图2所示：

图2 软岩巷道数值模拟模型

根据1201软岩巷道工作面顶底板各中岩性的特征对模型中体积模量、剪切模量、内摩擦角、内聚力和抗拉强度等参数进行设置。

3.2 管棚支护模型的搭建

结合如图1所示的管棚支护效果，基于FLAC3D建立U型25钢的支护模型，并在FLAC3D模型中对U型25钢的弹性模量、泊松比、惯性矩以及横截面积等参数进行设置[5]，最终所得管棚支护的模型如图3所示：

图3 管棚支护数值模拟模型

3.3 数值模拟结果分析

为验证管棚支护效果，对普通支护状态和管棚支护状态下软岩巷道围岩的变形、应力以及围岩状态进行模拟分析。数值模拟结果分析如下。

分析图4、图5可知，采用管棚支护后软岩巷道围岩的变形和应力状态得到有效控制。

图4 巷道围岩变形对比

图5 巷道围岩应力对比

4 结论

1）根据1201软岩巷道工作面的参数确定管棚钢管的长度为6 m，钢管直径为50 mm，钢管长度为3 m并分节制动；距离轮廓线300 mm开孔，环向间距确定为300 mm。

2）基于FLAC3D软件对U25钢管棚支护效果验证得出，管棚支护后工作面应力和变形较普通支护方案下得到有效控制。