铁新矿2118工作面巷道支护模拟及分析

霍丙坤

（山西中煤华利铁新煤业有限公司，山西灵石031302）

随着煤炭资源开采深度的增加，很多矿井的开采深度已经超过500m，矿压增大、巷道稳定性差的问题日益严重[1-2]。如何加强巷道的支护工作，使得企业更加高效、安全地对煤炭资源进行开采，成为了行业内不得不面对的问题[3]。

1 工程概况

山西中煤华利铁新煤业有限公司（以下简称铁新煤矿）位于山西灵石两渡镇，目前开采2#煤层。主采工作面为2118工作面，位于+555水平2号煤一采区，工作面倾向长度160m/149m，走向长度145m/341m，采用一次采全高走向长壁后退式综合机械化采煤，除断层影响外，无特殊影响因素。

目前2118材料巷揭露2条断层，遇断层时巷道顶板会出现有滴淋水现象，为满足巷道运输、行人、通风等需求，需要对巷道围岩进行有效控制并制定安全有效的支护措施。

2 数值模拟

为准确分析铁新煤矿2118材料巷在未进行支护下，围岩变形规律及破坏特征的情况，本文将采用专业的岩土工程模拟软件FLAC 4.0进行巷道物理模型的建立与计算。

物理模型网格建立：选取巷道断面面积：5.0m×3.8m，共划分33600个单元（网格横纵数量：240×140）。

边界条件设置：将模型上表面、左右侧及下表面分别设定为应力边界条件、水平位移约束边界和垂直位移约束边界。并根据铁新煤矿2118材料巷地质情况，对上覆岩层重力引起的平均原岩应力进行应力评估计算工作：555m×2500kg/m3×10N/kg=13.8MPa。最终计算得出了2118工作面材料巷围岩塑性区分布图和围岩变形图，见图1、图2。

图1 2118材料巷塑性区分布图

如图1所示，2118工作面材料巷围岩并不稳定，具有塑性区分布较广、变形破坏范围严重的特点,巷道顶板、两帮和底板围岩塑性区分布范围分别是：7660mm、2×3900mm（即7800mm）和1595mm。。图2为2118材料巷围岩变形图与位移量统计，未进行支护时，巷道顶板、两帮和底板的位移量分别达到434mm、2×440mm（即880mm）和604mm；

图2 2118材料巷围岩变形图（支护前）

综合判断，2118工作面材料巷围岩的变形较为严重，需要采用合理的开采方式确保矿井安全生产。

3 支护方案

3.1 巷道支护形式确定

根据铁新煤矿地质条件与FLAC模拟分析，确定2118材料巷掘进期间巷道顶板采用“螺纹钢锚杆+减摩垫圈+菱形网+锚索”支护，帮部采用“螺纹钢锚杆+菱形网”支护。

3.2 支护参数选择

顶部支护：顶板支护选用∅18mm，L=2000mm的螺纹钢锚杆，锚杆间排距1000mm×1000mm；顶板离层、淋水及破碎时，选用∅18mm，L=2000mm的螺纹钢锚杆，锚杆间排距1000mm×800mm。锚索∅15.24mm，L=5200mm，锚索间排距2000mm×3000mm；顶板离层、淋水及破碎时，锚索间排距2000mm×1600mm。

帮部支护：两帮选用∅20mm，L=1800mm的玻璃钢锚杆支护，锚杆间排距800mm×1000mm；顶板离层、淋水及破碎时，间排距800mm×800mm。

工作面最大控顶距为1.5m（顶板有离层、淋水及破碎时为1.2m），帮部滞后支护迎头距离不超过4.5m（顶板有离层、淋水及破碎，帮部有片帮情况时上帮支护滞后迎头距离不超过2.8m）,锚索距迎头最大距离3.5m（顶板有离层、淋水及破碎时为2m）。

3.3 支护材料与规格

螺纹钢锚杆材质为MG400左旋无纵肋金属锚杆，∅18mm，L=2000mm。杆体屈服强度为385MPa，拉断强度570MPa，延伸率19%，配套使用的铁托盘规格为120mm×120mm×8mm。

玻璃钢锚杆材质为MGSC20/2000F树脂锚杆，杆体抗拉强度为300MPa。杆体抗剪强度为75MPa，配套使用的塑料托盘规格为∅140mm。

锚索材质为钢绞线，∅15.24mm，L=5200mm，锚索钢绞线的抗拉强度等级,不低于1860MPa，其延伸率不小于3.5%，锚索托盘使用L=400mm中间加焊150mm×140mm×10mm钢板的矿用18#槽钢。

锚固剂型号为CK2350，锚固剂规格为∅23mm×500mm，锚固剂凝胶时间0.5～1min。顶帮锚杆各装1支锚固剂，锚索装2支锚固剂。

菱形网紧跟锚杆逐排铺设，联网时可采用网与网搭茬进行连接，其中网与网搭接长度为200mm，并用14#双股铁丝交错拧紧且铁丝扭结720°，联网间距200mm。菱形网规格为5000mm×1800mm、4600mm×1200mm。

菱形金属网由10#铁丝编制而成，顶板按垂直巷道方向铺设，帮部按照巷道掘进方向进行铺网，菱形网规格分别为5000mm×1800mm、4600mm×1200mm。

支护材料规格见表1。

表1 支护材料规格表

3.4 模拟结果

支护方案确定后，再次运行FLAC4.0对2118工作 面材料巷进行数值模拟，分别得到塑性区分布图与围岩变形数据，见图3与图4。

如图3所示，在进行支护后，巷道顶板预围岩的塑性区域大幅减小，主要集中在巷道表明处，围岩稳定性得到了有效控制，具体见图4。

图3 2118材料巷塑性区分布图

图4 2118材料巷围岩变形图（支护后）

可以看出，支护后巷道顶板和两帮的最大塑性屈服半径分别降低至5200mm和2×3305mm（即6610mm），也就是说，顶板和两帮的塑性破坏范围有效地降低了32.1%和15.2%。另外，巷道顶板和两帮的最大位移量也控制在204mm和2×152mm（即304mm），较支护前降低了53.0%和65.5%，底板几乎变形几乎消除。

4 结束语

当矿井地质条件满足时，从节约巷道支护成本、提高掘进效率以及保证企业安全生产的角度来看，以锚杆为主进行支护无疑是最有效的方式之一，通过对铁新煤矿2118材料巷支护前后的模拟对比，发现巷道围岩稳定性大幅提高，具体表现为：

（1）通过对支护前后巷道塑性区分布图分析可以看出，支护前巷道顶板与两帮围岩的塑性区分布分别为7660mm和7800mm；支护后顶板和两帮塑性区分别降至为5200mm和6610mm，降幅达到32.1%和15.2%，巷道围岩的破坏范围得到了有效的控制。

（2）通过对支护前后巷道围岩变形量图分析可以看出，支护前巷道顶底板与两帮的最大移近量分别为434mm和880mm；支护后巷道顶板和两帮的最大位移量则成功控制在204mm和304mm，较支护前降低了53.0%和65.5%，巷道围岩变形得以效控制。