煤矿回风顺槽支护技术仿真分析与应用研究

郑 伟

（晋能控股煤业集团四台矿，山西 大同 037003）

1 倾斜工作面概况

煤矿倾斜工作面的长度200 m，40°是其平均倾角，1 450 m 是走向长度，煤层平均厚度达到4 m，底板岩层为粉砂岩，顶板岩层为砂质泥岩；井下巷道断面总体接近于矩形，具体的尺寸规格是净宽与净高分别为6 000 mm 和4 800 mm，巷道顶底板岩层评定为软弱状态，所以对围岩变形量的要求很高，必须进行特别的分析和设计来对围岩进行控制。

2 围岩变形破坏形式及机理

2.1 围岩变形破坏形式

1）两帮变形破坏形式。采掘工作进行时，煤矿井下巷道围岩由于周边受力物的变化会产生应力场整体改变，覆岩的自重产生的重力会施加于两帮位置，若两帮围岩不能够有效承担其力量，弹塑性变形极易发生，内部弹性和塑性区域的形成也将是必然，甚至是发生拉裂破坏等情况，不断增加顶底板的变形量，具体变形破坏如图1-1、图1-2。由于巷道顶底板岩层变现为松软状态，给顶底板带来很大不稳定性；另外巷道两帮围岩大概率会发生剪切破坏活动，围岩发生塑性剪切破坏，导致两帮围岩发生移动变形[1-3]。

2）顶板变形破坏形式。在回采巷道开始工作后，水平方向的力协同覆岩载荷施加在顶板岩层，逐步导致拉应力产生，若达到岩层承受最大值，则将会有拉裂破坏在顶板发生，由于两帮围岩的极大不稳定性，拉伸变形、冒落会逐渐发生[4-6]，如图1-3、图1-4。

图1 两帮及顶板破坏示意图

2.2 围岩变形破坏机理

通过具体的井下地质情况，得到巷道岩层软弱的特征，在施工阶段应力发生变化，前期弱结构的变形随着力的不断变化逐渐引发变形破坏的发生，其中，弱结构体具体指应力、几何和岩性弱结构三部分。目前主要分析其中的岩性弱结构部分，具体受力力学模型如图2 所示[7]，可计算推导出各岩层弯矩、巷道上下边缘应力等参数。分析可知，顶板岩层的主要受力来源分两部分，分别是围岩压力以及水平地应力，所以，结合具体工程实践，巷道失稳破坏的产生认定为围岩压力和水平地应力共同作用结果，这个分析结果对于下一步设计支护方案很大意义。

图2 顶板弱结构受力力学模型图

3 围岩控制方案及效果

3.1 围岩控制方案

通过结合井下具体地质条件以及分析结论，现对回风顺槽的锚网索支护方案参数确定如下。

1）两帮支护：设计选定玻璃钢锚杆作为回采帮，具体规格直径22 mm、长度1 500 mm，间隔规格1 000 mm、900 mm,端头锚固作为锚固方式，采用150 N·m的预紧力矩；对于煤柱帮锚杆选择，采用规格为直径16 mm、长度1 500 mm 的圆钢锚杆，间隔规格1 000 mm、900 mm，同样端头锚固作为锚固方式，采用150 N·m 的预紧扭矩。

2）顶板支护：设计中选定为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，具体规格为直径22 mm、长度2 100 mm，间隔规格1 000 mm、900 mm，设计中具体的锚固工作采用的是树脂加长锚固的方式完成的，采用250 N·m 的预紧扭矩；锚索使用上采用的是高强低松弛特征的1×7 股钢绞线，具体的规格数据为直径17.8 mm、长度6 500 mm，间隔排布的具体数据是2 500 mm、1 800 mm，2排锚杆的中间布置锚索，锚固工作具体采用150 kN预紧力[8-9]。

具体井下回风顺槽的支护参数见图3。

图3 支护断面图（单位：mm）

为对该支护方案进行前期验证，研究中与巷道具体地质情况相结合，通过FLAC3D 软件进行具体的数值分析工作，在完成具体数值模型的建立工作后，对模型进行设定和边界限制，例如具体应力情况等，模型相关工作结束后，进入下阶段具体场景模拟运算和分析[10]。

通过软件分析最终结果，会反映出新提出支护方案下，井下回风顺槽的应力分布等数据如图4 所示。

分析图4 得到，采用设计的支护方案后，两帮移近量最大值约23 mm，底板及顶板的变化量最大值分别约为11 mm 以及17.5 mm，结果表明，两帮以及顶底板变形量明显降低，说明顶底板及两帮变化在该种支护方案作用中控制效果显著；并且从图4 中还得到，巷道顶底板和两帮塑性区没有扩大发展，锚杆（索）主动支护生效；综上，研究的支护方案对于围岩的控制的可行性很高，围岩的稳定性得到有效的保证[11]。

图4 巷道围岩位移及塑性区分布图（单位：mm）

3.2 效果分析

为了对研究的支护方案进行实践验证，结合软件最后分析结果，巷道在掘进过程的围岩发生小变形量；为深入验证，特别在回采期间检测巷道围岩变化状态，在工作面前100 m 分别设定两个测站，得到的围岩变形-距回采工作面距离曲线如图5 所示[12-13]。

图5 巷道围岩变形-距回采工作面距离曲线图

通过图5 得到，在采掘工作中，两帮和顶底板变形量与工作面的距离呈现正相关，当两者之间的距离超过65 m 后，围岩变形量受到影响变小，导致变形量的变小；在65 m 以内，两帮和顶底板变形速率是不断增加的；在20 m 位置，超前支承压力达到峰值，两帮和顶板变化量达到最大的182 mm 和140 mm，该变形量完全能够达到具体使用要求指标。

4 结论

针对回风顺槽围岩的不稳定性问题，通过理论和模拟实验两种分析渠道进行支护方案的设计，并对其有效性和可行性进行验证，最终得出：

1）得出巷道围岩压力和水平地应力共同作用导致巷道失稳破坏。所以两帮和顶板岩层的具体形态会对巷道的稳定性产生影响。

2）通过模拟分析结果和实际巷道环境状态结合，设计的支护方案的可行性很高。从实际检测数据得到，两帮和顶底板变形量随着工作面的距离变大而增大，当两者之间的距离超过65 m，围岩变形量受到影响变小导致变形量变小；在65 m 以内，两帮和顶底板变形速率是不断增加的；在20 m 位置，超前支承压力达到峰值，处于安全要求内。证明了该支护方案下巷道围岩发生的变形完全能够达到具体使用要求指标，巷道围岩的稳定性得到有效保障。