巷道围岩应力场分析及巷道支护机理研究

刘道龙 刘 东 刘志鑫

（山东能源枣矿集团滨湖煤矿，山东 枣庄 277000）

锚网索支护是通过锚索将巷道顶板锚杆群之间形成的压应力拱结构与巷道顶板上方稳定岩层相连接，最大限度地利用上部稳定岩层提高围岩-锚杆整体支护体系的稳定性与自身承载能力的支护方式[1-2]。锚网索支护在减少经济浪费、减少工作面准备时间、加快工作面产生效益等方面的优点十分突出，是保障矿井安全生产、提高矿井高产高效水平的有效途径[3]。滨湖煤矿16207工作面区段回风巷直接采用邻矿锚网索支护方案进行支护，16207工作面区段回风巷埋深大、压力环境复杂，导致巷道支护强度过大，造成经济投入浪费、成巷速度慢、工作面准备时间长等问题[4-5]。

1 巷道围岩情况

16207工作面区段回风巷道沿煤层走向掘进，煤层属于煤层软、底板软、顶板软的“三软”煤层。巷道所处的地质条件和力学环境为：巷道埋深大，地应力大；巷道顶底板岩层为软岩，巷道围岩强度低，整体破碎，存在较多裂隙；成巷后支护效果不明显，巷道变形破坏严重，需要进行二次支护或维修巷道，支护成本高，影响工作面正常生产等。巷道在掘进过程中围岩应力向深部转移，塑性区扩大，巷道破坏符合圆形孔弹塑性力学原理，巷道破坏围岩分为破碎区、塑性区、弹性区，具体情况如图1。

图1 无支护时巷道围岩分区图

2 巷道围岩应力分布规律

（1）几何尺寸

精简优化合理尺寸、形状的几何模型，保证数值模拟结果的真实性、可靠性。该模型尺寸为200 m×100 m×120 m（长×宽×高），区段回风巷断面按现场实际情况为矩形，其尺寸为4.7 m×3.2 m（宽×高）。具体几何尺寸如图2。

图2 巷道掘进几何模型

（2）模型建立及测点布置

① 模型建立

根据16207工作面区段回风巷道地质情况，煤层厚度0～8.8 m，平均厚度约为4.06 m，煤层倾角6°～9°，平均倾角为6°，巷道埋深432～483 m，取450 m。按照图2巷道掘进几何尺寸设定建立模拟模型，规格设置为200 m×100 m×120 m（长×宽×高），它由276 800个单元和295 407个节点组成。具体模型如图3。

图3 数值模拟模型

② 测点布置

在建立的数值模拟模型巷道表面布置监测点，x=（100，105）区间为巷道在模型中的水平位置，z=（52.98，55.98）区间为巷道在模型中竖直的位置。

（3）模型边界及岩层物理力学参数

通过设置模型下部边界z=0为滚动支座，简化为位移边界条件固定模型下部位移；通过设置模型左右两边边界x=0和x=200为滚动支座，简化为位移边界条件固定约束模型左右位移；通过设置模型前后两边边界y=0和y=100为滚动支座，简化为位移边界条件固定约束模型前后位移；在模型顶部施加均匀的垂直向下的应力以模拟覆岩荷载。为消除模型边界给模拟计算过程中应力传递造成影响，设置模型时在已建立的模型左右两侧预留100 m的边界保护煤柱。为有效模拟工作面顶板及巷道顶板向巷道空间移动，提前在煤层顶板与煤层上临近岩层界面和底板与煤层下临近岩层界面处设置interface。通过hist命令监测巷道表面位移量。

（4）巷道掘进过程中巷道围岩应力分布

为消除边界影响，在已建立的模型左侧留设100 m煤柱，即模拟从100 m处的开口处向y轴方向掘进。每循环进尺0.8 m，每班2个循环，平均日进尺4.8 m，为方便模型开挖计算即取整5 m。故选择最小掘进步距为5 m，分别开挖5 m、10 m、……100 m，通过数值模拟软件模拟巷道动态掘进开挖。

巷道掘进过程中煤层内垂直应力变化规律：巷道掘进过程中，由于与巷道周围形成平衡状态的岩体被瞬间开挖，出现应力集中，巷道产生塑性破坏，巷道掘进面塑性区范围与掘进面煤岩体应力的变化有着密切的关系。如图4。

图4 巷道循环开挖过程中巷道垂直应力分布曲线

当巷道掘进5 m时，巷道瞬间开挖，周围岩体向掘进面挤压，引起掘进面周围较小范围内岩体应力集中，巷道掘进面两侧与前方出现小范围应力降低。掘进面前方3 m处应力最大，达到11.86 MPa左右，影响范围4～6 m左右；巷道两侧应力在距巷道两帮4 m处应力最大，达到11.93 MPa左右；应力影响范围9～12 m左右。随着巷道继续开挖掘进10 m、20 m时，巷道周围岩体支承压力影响范围逐渐增大，巷道掘进面前方5 m应力最大，达到12.19 MPa左右，影响范围12～21 m左右；巷道两侧6 m支承压力最大，达到13.32 MPa左右，应力影响范围16～24 m左右；当掘进到25 m、30 m之后，巷道围岩应力影响范围基本趋于稳定，两侧与掘进面前方卸压区范围稳定在一定值内。

3 锚网索支护参数初步确定

3.1 锚杆参数理论计算

采用工程类比的办法，经过技术、经济比较和各自的适用条件，确定上巷支护方案如下：

（1）悬吊理论分析设计法

锚杆长度的计算公式为：

式中：La为锚杆长度，m；L1为锚杆外露长度，其值大小受锚杆的固定方式和类型影响；L2为锚杆的有效长度，m；L3为锚杆的锚固段长度，m。

16207回风巷埋深约450 m，主要用于工作面回采、回风、行人、管线敷设及运输材料需要等，巷道设计长度787 m，煤层直接顶为泥岩，厚度达2.2 m，裂隙发育，底部为炭质泥岩，不稳定。可知巷道顶板上方存在厚度为2.2 m的不稳定泥岩层，共计不稳定岩层厚度为2.2 m，顶板锚杆有效长度不小于稳定岩层厚度。

单位平方米内锚固力为：

Q=KL1·a1·a2·γ=2×2.2×24=105.6 kN

（2）巷道破坏深度理论计算

巷道掘进后煤帮最大破坏深度c、煤顶板最大破坏深度b：

式中：c为煤帮最大破坏深度，m；b为顶板岩层最大破坏深度，m；K0为巷道周边挤压应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重，24 kN/m3；H为巷道埋深，m；B为采动影响程度参数；fy为煤层硬度系数；h为煤层厚度，3.2 m；φ为煤体内摩擦角，15°；a为巷道的半跨距，2.35 m；α为煤层倾角，6°；ky为待锚岩层的稳定性系数；fn为锚固岩层的硬度系数。

巷道断面形状为矩形：宽×高=4.7 m×3.2 m，应力集中系数取1.5，煤层直接顶为砂岩，硬度系数取6.0，稳定性系数取0.95。将相关参数代入得到：

3.2 锚索参数理论计算

（1）顶板的压力Qd及两帮压力Qb为：

由以上计算得出：Qd=544.824 kN

（2）锚索间排距

锚索间排距相等，间排距均为a，则：

经计算得a=2168 mm。

（3）顶板锚索长度L计算

设计初步确定顶板锚索长度为6 m。

（4）顶板锚索支护密度计算

单根锚索锚固力P由公式计算得到：

理论计算巷道顶板单位面积内需要锚杆的根数为3.14根，取整为3根。

4 结论

（1）巷道掘进期间，由于瞬间与巷道周围形成稳定平衡状态的岩体被开挖掉，出现应力集中，巷道产生塑性破坏，巷道所在岩层层面两侧及掘进面前方存在一个U型环状支承应力区。巷道在及时支护条件下，随着巷道不断掘进，巷道顶底板围岩移近量、巷道两帮位移量由于受到应力集中导致巷道围岩出现的塑性区范围基本上变化不大，巷道围岩顶板、两帮最大塑性半径分别达到3 m、2.5 m。

（2）通过理论计算，结合该矿煤体松软顶板控制难度较大，确定了顶部锚杆长度为3.0 m，帮部为2.5 m，间排距都为800 mm×800 mm，锚索长度为6 m，理论计算巷道顶板单位面积内需要锚杆的根数为3根。