马兰矿10607底抽巷支护方案及数值模拟研究

郭 坦，魏永辉

(1.西山煤电(集团)有限责任公司技术中心,山西 太原 030000；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

0 引言

煤炭作为重要的战略资源，一直存在着较高的经济价值。我国资源禀赋的特点是富煤、贫油、少气，煤矿资源的储存量占据化石能源总量的90%以上，已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的33.8%；而年产量方面，我国2021年原煤总产量是407 136万t(约40.71亿t)，煤炭产量位居世界第一，占比达59.31%。在2021年一次能源结构中，煤炭消费量占能源消费总量的56.0%，说明煤炭在我国能源消费中仍占据着主导地位[1-2]。

随着近些年煤矿开采深度的逐渐增大，水文地质条件越加复杂，矿压显现剧烈，水渗透压增高，煤矿开采难度骤增。在高应力、高渗透压、地质构造、岩石矿物组成等因素的影响下，围岩节理裂隙发育、松散破碎、变形强烈、破坏范围大，安全问题日益突出。而煤炭资源开采难度的增加主要在于煤矿巷道支护难度的增加，巷道是煤矿开采工艺系统的核心部分，是矿井开采、运输和保证煤矿安全生产的重要通道，实际煤矿现场条件复杂多变，巷道支护难度逐渐加大，科学合理的巷道支护理论、技术、参数设计是保证煤矿安全、经济、高效采出煤炭资源的根本。

1 工程概况

10607底抽巷所掘煤层为二叠系下统山西组2号煤层，沿2号煤跟顶破底掘进，巷道坡度4°～10°，平均5.5°。10607底抽巷总工程量786 m，采用矩形断面，巷道设计净宽4.2 m，设计净高2.6 m。煤层顶底板情况如表1所示。

表1 10607底抽巷煤层顶底板情况表

10607底抽巷用于02号煤层的10607,10605工作面以及同煤层邻近工作面的瓦斯抽采，并计划在经历多工作面回采动压后作2号煤层工作面回采巷道，实现一巷多用，因此保留该巷道并增加巷道支护强度是亟待解决的难题。巷道布置位置如图1所示。

2 巷道支护方案的确定

本文以10607底抽巷为研究对象，针对现场工程概况并结合巷道变形破坏机理，对该巷道进行锚杆锚索联合支护设计。利用锚杆锚索联合支护来提高巷道围岩的承载能力，减小巷道顶底板位移和两帮移进量，降低巷道帮角等位置剪切破坏的程度。

支护方案可设计为：顶板采用“螺纹钢锚杆+金属菱形网+钢筋钢带+锚索+蝶形压制托盘”联合支护，两帮采用“螺纹钢锚杆+W托盘+金属菱形网”联合支护。

2.1 锚杆参数的确定

根据10607底抽巷煤岩层参数，通过理论计算并采用工程类比法校核[3-4]，可确定锚杆规格：长度为2 000 mm、直径为20 mm。顶锚杆间排距950 mm×1 000 mm，每排5根；帮锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm，每排2根，“矩形”布置，上侧帮锚杆距顶板400 mm。锚杆螺母外露锚杆丝扣10 mm～50 mm之间。

2.2 锚索参数的确定

同理可确定锚索规格：长度为5 200 mm、直径为21.6 mm。锚索间排距间1 500 mm×2 000 mm，锚索不占锚杆位置，布置在两排钢带中间，每排2根。锚索必须锚固在稳定岩层中，如不能有效锚固时，及时调整锚索规格。锚索露出锁具150 mm～250 mm。

综上所述，针对10607底抽巷锚杆锚索支护参数所确定的支护设计图如图2所示。

3 数值模拟分析

为验证锚杆锚索联合支护对10607底抽巷围岩的控制效果，本文基于FLAC3D软件建立煤岩层和巷道模型，并根据数值模拟结果对巷道支护前后围岩位移和塑性区状态进行对比分析。

3.1 模型的建立

模型尺寸为x×y×z=100 m×50 m×16.8 m，生成的初始模型如图3所示。在模型左右边界限制节点的x方向水平位移，在模型前后边界限制节点的y向水平位移；在模型底部限制节点的x,y,z方向的全部位移；顶部为应力边界，按照巷道埋深模拟上覆岩层的重力，将均布荷载p=(0.025×H)MPa施加在模型上表面。

马兰矿2号煤层埋深400 m左右，在模型上部边界施加10 MPa垂直向下的均布荷载。计算时采用摩尔-库仑强度准则。

3.2 模拟结果分析

锚杆锚索联合支护对巷道围岩稳定性的控制效果最直观的体现为巷道变形和塑性区分布规律的变化。本次数值模拟主要对10607底抽巷位移和围岩塑性区进行分析。

3.2.1 10607底抽巷位移分布规律

如图4，图5所示分别为无支护和锚杆锚索联合支护条件下10607底抽巷垂直和水平位移分布规律。由图4,图5可知，与无支护条件的巷道相比，在锚杆锚索联合支护下巷道围岩位移量均有减小，支护条件下巷道顶板下沉量、底鼓量、两帮移近量分别比无支护时减小4.4 mm,0.1 mm,4.6 mm。

10607底抽巷在采用锚杆锚索联合支护方案后围岩变形量相对原支护均有减小，说明该支护方案能够增加顶板与两帮支护强度，减小围岩的剪切滑移并提高两帮对顶底板的支撑作用，并能够提升巷道的稳定性。

3.2.2 10607底抽巷塑性区分布规律

如图6所示分别为无支护和锚杆锚索联合支护条件下10607底抽巷塑性区分布规律。由图6可知，与无支护条件下相比，在锚杆锚索联合支护条件下巷道顶板围岩中塑性区分布和两帮围岩中塑性区分布均有了明显的减小，说明该支护方案能够降低巷道肩角和底角中的塑性区分布范围，提高巷道的稳定性。

综上所述，锚杆锚索联合支护能够提高巷道围岩的抗剪能力和稳定性，减弱因巷道开挖造成的变形破坏，并降低巷道围岩中的应力卸载程度，使得变形破坏分布范围更小。

4 结论

1)根据10607底抽巷工作面的参数，确定锚杆锚索联合支护方案。巷道顶板采用“螺纹钢锚杆+金属菱形网+钢筋钢带+锚索+蝶形压制托盘”联合支护，两帮采用“螺纹钢锚杆+W托盘+金属菱形网”联合支护。其中锚杆规格为φ20×2 000 mm，锚索规格为φ21.6×5 200 mm。

2)基于FLAC3D数值模拟分析可知：10607底抽巷采用锚杆锚索联合支护后，顶板下沉量、底鼓量和两帮移近量均有减小，围岩塑性区分布范围也得到了有效控制，该方案能够满足实际生产的需求。