煤矿巷道锚网支护机理及围岩变形规律分析

高议民

(山西鲁能河曲电煤开发有限公司 上榆泉煤矿，山西 忻州 034000)

随着煤矿井下开采断面和开采深度逐渐增加，巷道所处的地质力学环境越来越复杂，受到开采扰动应力场和深部地应力场的影响，巷道开挖后处于塑性变形阶段。目前常规的支护不能够满足巷道正常应用需求。在现场实践中锚网支护已经被广泛应用，但是煤矿地质条件随着煤层、矿井、区域的不同出现很大不同，各个矿井的锚网支护机理也不尽相同。锚网支护作为现在大多数矿井使用的主要支护技术，仅依赖于锚杆的密度、刚度和强度，没有充分考虑两者的耦合关系，不能够充分发挥锚网支护的潜力，锚网支护密度过大，造成资源的浪费，很多情况下，锚杆的强度已经过剩，但是其配合的护网强度却远远不足，致使锚网耦合强度降低，造成巷道变形和冒顶的发生[1-3]。鉴于此，本文研究了煤矿巷道锚网支护技术及围岩变形规律，实现了井下快速施工，提高了煤矿的经济和社会效益。

1 工程概况

研究矿井生产规模为90万t/a，井田南北宽2.0 km，东西长为4.7 km，井田面积为9.4 km2，井田内含煤地层主要是山西组和太原组。山西组主要有2层煤(2号煤层和3号煤层)，2号煤层为部分可采煤层，3号煤层为稳定可采煤层，山西组煤层平均厚度为2.0 m，含煤系数为6.0%。太原组主要有9层煤，5号和9号煤层为较稳定部分可采煤层，其他为不可采煤层，太原组煤层平均厚度为3.2 m，含煤系数为3.0%。研究煤层为3号煤层，平均埋深为600 m，煤层厚度为1.0～3.5 m，平均厚度为2.0 m，3号煤层距离2号煤层13 m左右，3号煤层结构简单，其顶底板均为砂质泥岩和泥岩。

2 锚网强度耦合分析

在巷道围岩控制技术中，护网将受到的承载力分布到锚杆上，随着锚杆预紧力、强度、直径、长度和托盘的规格的增大，锚杆的支护范围也逐渐增大，但是仍会出现锚空区，此时需要护网对锚空区围岩提供支持。当锚空区围岩出现破落时，破落的围岩会对网片施加载荷，网片受到施加载荷后，会出现网兜现象。根据静力平衡原理，围岩直接接触的两段网丝和破碎围岩向网片施加的载荷在竖直方向的合力相同[4-5]。计算公式：

Pr=2Tr·sinβ

(1)

(2)

式中，Pr为破碎岩石所受的重力；Tr为AB段网丝或CD段网丝所受的拉力；β为金属网的下沉角；H为网片的下沉量；a为网兜前原网丝长度的1/2。

如果网丝的轴向拉应变为ε，则：

(3)

式中，E为网丝材料的弹性模量；ε为网丝的轴向拉应变；S为横截面积；δ为拉应力。

将式(2)、式(3)代入式(1)进行推导，得出：

(4)

由式(4)可知，金属网下沉角和破碎岩石重力、网丝的弹性模量及网丝的横截面有密切的关系。增加网丝的横截面积、直径以及弹性模量，可以提升网片的护表功能，从而使网片的护表效果更好。

当金属网规格和锚杆间排距相同时，此时网片中心所受的载荷应力为最大，则网片提供的承载力F为：

(5)

式中，βm为网丝下沉角。

3 锚网支护下围岩变形规律数值模拟

3.1 模型建立

为了研究锚网支护条件下围岩变形规律，采用FLAC3D数值模拟软件[6-10]，建立数值模型，模型尺寸为42 m×42 m×50 m。巷道围岩参数：内摩擦角为30°，黏聚力为8×105MPa，弹性模量为2.8×104MPa，泊松比为0.3，抗拉强度为2.1 MPa，抗压强度为55.5 MPa。

本文分别模拟分析3种方案：①方案1，无支护；②方案2，锚杆+菱形金属网支护；③方案3，锚杆+格宾金属网支护。

3.2 模拟分析

3.2.1 巷道塑性区分布

不同方案条件下巷道塑性区分布如图1所示。

图1 不同方案条件下巷道塑性区分布Fig.1 Distribution of plastic zone in roadway under different scheme conditions

由图1可知，方案1条件下，由于巷道无支护，巷道四角的塑性区范围较大，巷道塑性区呈“蝴蝶型”；方案2条件下，巷道两帮的塑性区仍很大，塑性区呈“螃蟹型”，但是比方案一塑性区范围缩小了19%，表明锚杆+菱形支护起到了一定的支护作用，但是金属网没有起到有效的主动支护作用；方案3条件下巷道塑性区形状和方案2条件下巷道塑性区形状相同，此时塑性区比方案1塑性区范围缩小了10%，两帮的塑性区也有明显的改善。

综上分析，锚网支护可以改善围岩原有塑性区分布，降低巷道所受的围岩应力，减小围岩的塑性区范围，起到了有效的支护作用；锚杆+格宾金属网支护比锚杆+菱形金属网支护效果更佳。

3.2.2 巷道围岩应力分布

不同方案条件下巷道水平应力分布如图2所示。

图2 不同方案条件下巷道水平应力分布Fig.2 Horizontal stress distribution of roadway under different scheme conditions

由图2可知，在方案1条件下，巷道顶板出现了应力集中区，应力峰值为5.7 MPa，巷道两帮的最大水平主应力为1.9 MPa，顶底板最大水平主应力为1.6 MPa；在方案2条件下施加了锚网支护，巷道围岩应力逐渐减小，在顶板的最大应力值为4.3 MPa，巷道两帮的最大水平主应力为0.9 MPa，顶底板最大水平主应力为1.0 MPa；在方案3条件下，巷道围岩应力进一步减小，在顶板的最大应力值为4.0 MPa，巷道两帮的最大水平主应力为0.5 MPa，顶底板最大水平主应力为0.8 MPa。

综上分析，采用锚网支护可以有效改善巷道围岩应力，且采用锚杆+格宾金属网支护后，巷道两帮受到的水平应力和顶底板垂直应力都有显著改善。

3.2.3 巷道围岩位移情况

不同方案条件下巷道水平位移分布如图3所示。

图3 不同方案条件下巷道水平位移分布Fig.3 Distribution of horizontal displacement of roadway under different scheme conditions

由图3可知，在方案1条件下，巷道处于无支护状态，巷道两帮最大的变形量为420 mm；在方案2条件下，巷道处于锚杆+菱形金属支护状态，巷道两帮最大的变形量为280 mm；在方案3条件下，巷道处于锚杆+格宾金属网支护状态，巷道两帮最大的变形量为130 mm。

综上分析，采用锚网支护可以有效改善巷道围岩变形，采用锚杆+格宾金属网支护后，巷道两帮变形和顶底板垂直变形都有显著改善。

为了精确分析开挖后巷道水平和垂直位移量，在巷道的两帮和顶板设置了测站，测站距离为5 m，总共有9个测试断面，得到了3种支护条件下巷道位移曲线，如图4所示。

图4 3种支护条件下巷道位移曲线Fig.4 Roadway displacement curves under three supporting conditions

由图4可知，当进行锚网支护后，巷道围岩位移得到有效的改善，并且采用锚杆+格宾金属网支护后，巷道护表效果明显，能够有效抑制巷道变形。

4 结论

(1)通过理论计算可知，增加网丝的横截面积、直径以及弹性模量，可以提升网片的护表功能，从而使网片的护表效果更好；锚网支护的强度耦合标准为网片具有足够的强度来承载锚空区的围岩重力。

(2)通过数值模拟分析可知，锚网支护可以改善围岩原有塑性区分布，减小围岩的塑性区范围，锚杆+格宾金属网支护比锚杆+菱形金属网支护效果更佳；采用锚网支护可以有效改善巷道围岩应力及围岩变形；采用锚杆+格宾金属网支护后，巷道两帮受到的应力和变形量都有显著下降。