基于数值模拟的软岩巷道支护优化研究

王建波 李 洋 常 庆

（1.国家能源集团宁夏煤业红柳煤矿，宁夏 银川 750011；2.陕西开拓建筑科技有限公司，陕西 西安 710054）

煤炭资源的开采往往伴随着各种各样的工程安全问题，其中巷道支护的合理设计是预防安全问题的关键[1-2]。目前宁东矿区煤矿巷道主要支护方式为传统的锚杆锚索支护方式[3-5]。现阶段，由于矿井工程地质条件均较差，煤层赋存情况较为复杂等因素影响，随着开采强度加大，巷道断面不断加大，巷道支护稳定性问题日益突出，加重了生产接续紧张，形成了重大的安全隐患。以红柳煤矿I040201（西）复杂工作面为研究背景，采用数值模拟等手段开展适合于宁东矿区的巷道支护优化方案研究，以期为宁东矿区各矿井以及类似矿井提供有益借鉴。

1 概况

红柳煤矿I040201（西）工作面2 煤厚度为5.34～6.48 m，平均厚5.91 m，煤层倾斜8°，f=2～3。巷道沿2 煤顶板掘进，顶板属于软岩层，工作面切眼长275 m，工作面走向长511 m。工作面直接顶缺失，其上直接为2 煤基本顶直罗组粗砂岩，厚度37.46～129.2 m，平均84.16 m，富水性较强，粗砂岩含水层是影响该巷施工的主要充水水源。预计局部裂隙发育地段及锚索眼将出现滴淋水现象，巷道正常涌水量5～15 m3/h，最大涌水量30 m3/h。直接底以粉砂岩和泥岩为主，厚度1.16～9.46 m，平均5.36 m。基本底以细砂岩和粉砂岩为主，厚度2.21～6.81 m，平均5.52 m。

2 原巷道基本支护及存在的问题

2.1 原工作面巷道基本支护

红柳煤矿I040201（西）工作面回风巷沿2 煤顶板掘进，巷道走向倾斜6°，巷道长512 m。回风巷断面为直墙半圆拱形，掘进宽度5000 mm，掘进高度4400 mm，巷道净宽4800 mm，净高度为4000 mm，净断面积16.72 m2。巷道采用锚网索喷支护方式，拱部采用锚索支护，锚索规格为Φ21.98 mm×4300 mm，间排距900 mm×800 mm；帮部采用Φ18 mm×2500 mm 圆钢端头锚杆，间排距为800 mm×800 mm；配合平铁托板和柳木托板，平铁托板规格150 mm×150 mm×10 mm，柳木托板规格400 mm×200 mm×50 mm；端头麻花长度400 mm；顶部挂设金属网，金属网采用Φ6.5 mm 圆钢加工，网孔规格100 mm×100 mm，金属网之间用14#铅丝绑扎，网格孔孔相联；两帮挂塑料网，塑料网网格为40 mm×40 mm；塑料网之间、塑料网与金属网之间用16#铅丝绑扎，塑料网之间隔孔相连；顶部喷射混凝土，厚度50 mm，混凝土强度等级为C20。具体断面如图1 所示。

图1 基本支护断面（mm）

2.2 原支护存在的问题

现有支护体系下，巷道整体支护较为有效，巷道周边的位移量减小。但是顶板仍有拉应力区，且塑性区显示为受剪破坏。顶板斜拱处有较大的压应力，建议加大衬砌的强度。顶板z向应力和位移较小，可适当减少顶部锚杆的数量。两帮处应力和位移均较小，两帮向外较远处压应力较大，并且两帮塑性区均较大，均超过了锚杆的锚固范围。两帮处的应力和位移均较小，说明当前锚固强度足够而锚固范围欠缺，需要减少两帮锚杆的数量，加入少量较长的锚索。

3 原支护方案模拟

对回风巷道进行数值模拟分析得到如图2～图4所示的数值模拟云图。

图2 工作面回风巷道应力分布云图

由图2（a）可知，回风巷顶板和底板出现拉应力，巷道顶板2 m 范围内的z向应力为拉应力，大小约为0.73 MPa，2 m 外顶板的z向应力为压应力，大小在5～10 MPa，说明顶板出现面积较小、应力较小的松动圈。巷道开挖支护后，顶、底板的拉应力值较小，两帮的z向应力略有增大，应力区域较小。由图2（b）可知，水平应力在巷道左右对称分布，随着与巷道中心距离的增加，水平应力逐渐减小。顶板水平位置层面处出现较薄的拉应力区，大小在0.4 MPa 左右；远离顶板处为压应力，大小在1～3 MPa；底板处出现较小的压应力，大小为2～5 MPa；两帮处水平应力大小在5 MPa 左右，部分区域出现较小的拉应力；两帮处2 m 范围内的压应力较小，2 m 范围外的压应力较大，大小为7 MPa。

由图3（a）可以看出，在支护状态下，顶、底板上下位移呈对称分布，位移主要集中在巷道的顶、底板。其中巷道顶板下沉量最大为54.44 mm，巷道底板的最大位移为50.117 mm，同时随着距离巷道中心距离的增加，位移量逐渐减小。由图3（b）可知，在支护状态下，巷道两帮位移呈对称分布状态。水平方向位移集中在巷道两帮，随着距离巷道中心距离的增加，位移量逐渐减小。巷道两帮处的水平位移最大，切眼左帮部中间最大位移量为37.4 mm，切眼右帮部中间最大位移为37.3 mm，位移的方向指向巷道。

图3 工作面回风巷道位移分布云图

由图4 可知，开挖支护后巷道围岩发生塑性变形，巷道的剪切破坏较多，拉伸破坏较少，两帮锚杆的支护区域都在塑性区范围内。

图4 工作面回风巷道塑性区分布云图

4 巷道支护优化

4.1 支护参数验算

锚杆锚索支护参数按照I040201（西）工作面回风巷断面为直墙半圆拱，巷高4.4 m、巷宽5 m进行计算，原顶部采用Φ22 mm×4300 mm 锚索，帮部采用Φ18 mm×2500 mm 锚杆支护。

1）据悬吊理论确定顶部锚索

锚索长度计算公式：

其中：L为锚索总长度，m；K为安全系数，取2；d1为锚索直径，取21.8 mm；fa为锚索抗拉强度，取1376 N/mm2；fc为锚索与锚固剂的黏合强度，取10 N/mm2；Lb为需要悬吊的不稳定岩层厚度，取3 m；Lc外露长度，取0.4 m。

经式（1）、式（2）计算得L=4.9 m。

锚索数目计算公式：

其中：N为锚索数目；K为安全系数，取2；P断为锚索最低破断力，kN，钢绞线直径为21.98 mm 时P断为504 kN；B为巷道掘进宽度，取5 m；D为锚索间排距，取1.2 m；Σh为悬吊岩石厚度，取3 m；Σγ为悬吊岩石平均容重，取23 kN/m3。

通过公式（3）、（4）计算得N≥1.6。即需要2 根锚索，即锚索间距（弧长）不大于2.2 m。

锚索排距计算公式：

其中：B取5 m；H为巷道最大冒落高度，取4.4 m；γ为岩体容重，取25 kN/ m3；L1为锚杆排距，取1.2 m；F1为锚杆锚固力，取70 kN；F2为锚索极限承载力，取454 kN；θ为角锚杆与巷道顶板的夹角，取75°；n为每排锚索数，取2。

经公式（5）计算得L排≤2.1 m，即锚索的排距应满足不大于2.1 m。

2）根据普氏自然平衡拱理论确定帮部锚杆锚杆长度计算公式：

其中：L为锚杆长度，m；L2为锚杆锚入稳定岩层的深度，取0.4 m；L3为锚杆外露长度，取0.15 m；f为岩石普氏系数，取1.7；B为巷道开掘宽度，取4.4 m。

经公式（6）、（7）计算得L≥1.8 m。根据巷道实际条件及矿方常用锚杆长度，取L=2.0 m。

锚杆的间、排距计算公式：

其中：s为锚杆的间、排距，m；Z为锚杆锚入自然平衡拱范围之外的额外深度，取0.4 m；a为巷道的半跨度，取2.5 m；b为顶板岩层的破坏深度，取1.3 m。

经公式（8）计算可得s≤0.85 m。

锚杆直径计算公式：

其中：d为锚杆的最小直径，mm；Q为锚杆设计锚固力，取60 kN；σt为锚杆杆体抗拉强度，取380 MPa。经公式（9）计算得d≤14.2 mm。根据巷道实际条件及矿方常用锚杆规格，取d=18 mm。

4.2 支护优化设计

根据原支护模拟分析、支护参数验算以及巷道变形及受力特点，结合矿方实际情况（由于顶板地质条件，目前矿方使用顶锚索长度普遍低于理论计算值），该研究提出2 种支护优化方案。

方案1：顶板为长4300 mm、直径为22 mm 的锚索，间排距为1000 mm×1000 mm，两帮为长2000 mm、直径为18 mm 的锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm。

方案2：顶板为长5300 mm、直径为22 mm 的锚索，间排距为1000 mm×1200 mm，两帮为长2000 mm、直径为18 mm 的锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm。

4.3 支护优化对比分析

1）顶板支护方案分析

根据支护优化设计方案，依次对方案进行模拟研究，并对巷道顶板的应力、位移做出对比分析。对比结果见表1。

表1 顶板数据统计

由统计结果可知，顶板位移最小的为第2 组，位移大小为54.3 mm。相比原支护和方案1 来说，方案2 的支护特点是锚索的长度变长，直径不变，排距变大，说明适当增加锚杆长度、增大间距对位移量的控制是可取的。对比原支护和第1 组方案，顶板支护的锚索直径和长度相同，方案1 的间排距变大，但位移增大在2 mm 内，说明锚索间排距可适当变大，对顶板的支护更为有效。因此，选择5300 mm的锚索比原支护4300 mm的锚索更为有效，可供选择间距1000 mm、排距1200 mm。

查看顶水平方向应力，发现改变锚杆长度、间排距对横向应力没有太大的影响，3 组支护方案产生的水平应力几乎不变，因此不再考虑水平应力的影响。对比方案1 与方案2 垂直方向应力可知，仅考虑顶板条件下，为保证安全起见，顶板优化选取第2 组为最优支护方案。

2）两帮支护方案分析

巷道两帮应力、位移对比结果见表2。

表2 两帮数据统计

由表2 可知，两帮原支护和第1 组方案的锚杆直径和长度不变，锚杆间、排距变大，水平位移增大，说明帮部锚杆的间排距对横向位移有较明显的影响。对比优化方案第1 组和第2 组来说，两组巷道帮部锚杆支护形式相同，但位移量稍有不同，说明顶板的支护形式对巷道帮部的水平位移也产生了一定的影响。两帮应力没有明显差别，不做对比分析。

4.4 优化方案及效益分析

通过支护优化对比分析发现，2 组方案的位移、应力变化不大。实际煤巷支护中，以巷道的位移为主要参考，以及为巷道的安全支护，选用第2 组支护方案最为合理。该方案可最大限度地减小顶板的位移量，达到煤矿巷道安全支护的需要，同时最大限度地节约材料，从而减少经济投入。两组方案支护材料用量减少量见表3。

表3 支护材料用量减少率 %

5 结论

1）对现场工作面回风巷变形情况进行调研和分析，发现现有支护体系下，回风巷的支护锚固强度达标而锚固范围欠缺，需要按当前支护方案材料加大锚杆长度，并减少两帮锚杆的数量，加入少量较长的锚索。

2）根据Ⅰ020211 工作面回风巷支护存在的问题提出2 种优化方案。通过数值模拟分析，在最大程度节约材料的基础上，最终优选方案2 最为合理。