厚软煤层巷道支护优化研究

王 博

(潞安化工集团 新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400)

针对巷道的支护问题，学者们进行了大量研究。康红普[1-3]从锚杆受力及现场应用等方面总结了锚杆支护技术在我国的发展现状及存在的问题。左建平[4]从应力分布场角度对巷道支护关键控制技术进行了系统研究。王羽扬[5]、李斌[6]等对软岩巷道的变形破坏机理进行了研究，揭示了软岩巷道的渐进破坏特征，提出了软岩巷道控制过程中必须遵循的几点重要原则。戎宽伟[7]等提出了巷道塑性区应是重点支护对象的观点。郭相平[8]等针对某回风巷出现失稳现象进行了破坏机理分析，并采用全锚索支护方案取得了显著的支护效果。本文以某煤矿煤巷掘进工作面的地质资料为背景，通过正交试验手段，全面评估各支护方案下，围岩塑性区分布面积、顶板移近量、两帮收敛量。

1 工程概况

研究区域埋深650 m，煤层平均厚度7.2 m。该巷道为矩形断面，净宽5.0 m、净高3.3 m。在掘进期间，该巷道经常出现顶板局部垮落、片帮等灾害事故，巷道变形量也较大，局部地段两帮移近量达1.2～1.5 m，严重制约了矿井的安全生产。

原支护方案顶板为每排7根锚杆，锚杆规格为D22 mm×2 400 mm，间排距为800 mm×1 600 mm。锚索每排6根，规格为D21.6 mm×7 500 mm，间排距为800 mm×1 600 mm。帮部支护使用D22 mm×2 400 mm的高强锚杆支护，间排距为800 mm×800 mm，锚索规格为D21.6 mm×4 500 mm。以上所有锚杆预紧力为60 kN，锚索预紧力为300 kN。原支护方案如图1所示。

图1 原支护示意(mm)

2 数值模拟方案设计

巷道支护参数优化设计是一项复杂的系统性工程，目前可以通过专家决策系统、经验类比等多种方式进行，但因缺乏足够的现场针对性，一般都难以达到预期效果。本文将以该巷道顶底板岩层的实测力学参数为基础(如表1所示)，运用FLAC3D大型数值模拟软件对不同支护方案下巷道的变形破坏规律进行系统研究。

表1 巷道岩层及煤的物理力学参数

因该巷道开挖后表现出了大变形特性，说明原支护方案未能起到控制围岩变形的作用，研究成果[9]表明，锚杆预紧力在40%～70%之间时，方能有效控制围岩较早离层，充分调动“大结构”体的自承载能力，所以在对各支护参数进行全面评估的基础上，将锚杆这一相对薄弱的支护环节作为优化改进的重点，具体主要围绕锚杆支护体的3个关键参数展开，分别为锚杆长度、杆体直径、锚杆预紧力。

2.1 数值模型

因实际掘进方向长度达2 500 m，在此将煤巷的变形问题简化为平面应变问题，最终确定计算模型尺寸xyz=50 m×20 m×53 m。模型底部施加全局约束，四周施加水平位移约束，顶部施加垂直补偿载荷用于模拟上覆岩层的的自重(σH=16.25 MPa)，其余4个面采用位移约束命令，各岩层采用摩尔库伦屈服准则。

2.2 模拟方案

本次模拟共涉及锚杆长度、锚杆直径、锚杆预紧力3个因素，每个因素共划分3个水平，锚杆长度分别为2.4 m、2.8 m、3.0 m，锚杆直径分别为22 mm、24 mm、26 mm，锚杆安装预紧力分别为60 kN、120 kN、150 kN。结果变量分别为塑性区分布面积、顶底板移近量、两帮收敛量。按照常规试验方法需模拟27种工况才能得出最优组合。但是通过正交试验，可从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，通过SPSS软件可生成由9种工况组成的正交试验表，见表2。

表2 正交试验结果

表5 两帮收敛量极差分析汇总

2.3 支护优化正交试验分析

通过对表3至表5整理的数据可知，对塑性区分布面积影响因素由强到弱依次是RC(锚杆预紧力)>RB(锚杆直径)>RA(锚杆长度)，这充分说明锚杆预紧力是控制塑性区发育的关键因素。对巷道顶底板移近量影响因素由强到弱依次是RA(锚杆长度)>RC(锚杆预紧力)>RB(锚杆直径)。对两帮移近量影响因素由强到弱依次是RA(锚杆长度)>RC(锚杆预紧力)>RB(锚杆直径)。通过方差分析可知，锚杆预紧力对巷道塑性区分布面积及围岩的位移变化规律均有较大影响，所以本着经济适用的原则，本次支护优化首先考虑在不改变锚杆体结构尺寸的基础上，将锚杆预紧力由原设计的60 kN提升到150 kN，然后再对支护优化完成后的新巷道进行稳定性监测。

3 现场监测

为了更好地验证采用正交实验确定参数的合理性，在新掘巷道的顶板、底板及两帮各设1个监测点，采用十字布点法对掘进过程中巷道的位移变化规律进行系统研究，监测断面的变形曲线如图2所示。

图2 巷道变形曲线

由图2可知，在测点布设完成后的前70 d内，巷道顶底板及两帮的位移量均呈现出快速递增的趋势，在70 d后变形逐渐趋稳收敛分别为23 mm、18 mm。同时通过钻孔窥视，帮部裂隙区的发育深度也仅为0.5 m，较支护优化前深度减少20%.

4 结 语

1) 对塑性区分布面积影响因素由强到弱依次是RC(锚杆预紧力)>RB(锚杆直径)>RA(锚杆长度)，这充分说明锚杆预紧力是控制塑性区发育的关键因素。对巷道顶底板移近量影响因素由强到弱依次是RA(锚杆长度)>RC(锚杆预紧力)>RB(锚杆直径)。对两帮移近量影响因素由强到弱依次是RA(锚杆长度)>RC(锚杆预紧力)>RB(锚杆直径)。

2) 锚杆预紧力对巷道塑性区分布及围岩的位移变化规律均有较大影响，固本次支护参数优化先将锚杆预紧力由原设计的60 kN提升到150 kN。

3) 采用新的支护方案后，两帮及顶底板的变形量较小，帮部塑性区发育深度为0.5m。