动静载荷叠加影响下的回采巷道支护参数优化

刘 宁

（山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041200）

1 概况

豹子沟矿41103 综采工作面煤厚3.5～4.7 m，平均厚度4.0 m，直接顶为3.12 m 的泥岩，基本顶为11.88 m 的粉砂岩，底板为6.65 m 的铝质泥岩。41103 综采面与41104 综采面相邻，41104 综采面已回采完毕，两工作面之间留设55 m 的保护煤柱。41103 工作面运输巷原始支护方案为：顶板采用Φ20 mm×2000 mm 锚杆，间排距700 mm×800 mm；帮部采用Φ18 mm×2000 mm 的锚杆支护，间排距800 mm×800 mm。41103 工作面回采期间受相邻工作面动压和本煤层采动影响，现有的普通锚杆及支护参数无法满足生产要求，主要表现为：锚杆锚固力普遍不高，存在锚杆锚固失效情况，部分巷道顶底板最大相对移近量550 mm，经过多次返修，巷道围岩变形仍然严重，工程量大，经济效益低。

2 巷道围岩稳定性分析

采用数值模拟软件FLAC3D对41103 工作面巷道围岩分别在静压和动压条件下的稳定性进行分析[1-2]。数值计算采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则，变形模式为大变形。建立模型尺寸为长×宽×高=200 m×30 m×77 m，如图1 所示，在模型上方施加覆岩重量对应的应力。

图1 数值计算模型

1）静压条件下围岩稳定性数值模拟结果

从图2 和图3 模拟结果可知，在静压条件下，41103 工作面运输巷围岩变形最大为底板的底鼓在58 mm 左右，其次是两帮变形量在55 mm 左右，顶板下沉量为30 mm。根据围岩位移分布曲线中拐点位置可知，在距巷道位置3 m 处位移突然变化，这与围岩应力分布曲线中结果一致，在该位置为应力曲线峰值，在该范围内应力随距离的增加呈递增趋势，在3 m 之外，应力曲线逐渐递减直到稳定，可以得出巷道围岩变形主要在0～3 m 范围内。

图2 巷道围岩位移分布

图3 巷道围岩应力分布

2）动压条件巷道围岩稳定性数值模拟结果

41103 工作面运输巷围岩不仅受本煤层开采时采动影响，也受相邻工作面开采的影响，两者影响的叠加为该巷道最终围岩变形破坏情况。相邻工作面41104 工作面覆岩下沉稳定过程中对41103 工作面运输巷围岩产生影响模拟如图4。从数值模拟结果可知，顶底板、两帮均发生不同程度的变形，尤其左右两帮10 m 范围内均发生了左移现象，最大移动量约110 mm。

图4 巷道围岩应力分布曲线图

相邻工作面和本工作面开采对巷道围岩变形的影响一般为叠加的，巷道围岩的垂直应力是相邻工作面开采引起的侧向支承压力和超前支承压力相互叠加，应变也对应为叠加[3-4]。从最终的模拟结果可知，由于静压和动压共同作用下顶底板、两帮相对移近量变形较大，顶底板相对移近量最大到达527 mm，顶板围岩变形范围超过10 m，两帮相对移近量最大达到460 mm。

3 巷道围岩支护设计研究

巷道支护设计的依据主要靠工程类比和理论计算等方法[5-6]。

工程类比法。要充分考虑巷道围岩的稳定性，通过表1 巷道顶板锚杆基本支护形式与参数指导进行巷道支护参数选择。根据41103 工作面运输巷地质力学参数等现场测试，可判断其为Ⅱ类稳定煤巷。

表1 巷道顶板锚杆基本支护形式与主要参数选择

理论计算法。根据悬吊理论，锚杆长度可用以下公式（1）计算：

式中：L为锚杆长度，m；L1为锚杆外露长度，一般取0.15 m；L2为锚杆有效长度，不小于不稳定岩层的厚度，m；L3为锚杆锚固长度，端部锚固一般取0.3～0.4 m。

顶板锚杆直径的选择根据其锚固力的大小，锚固力大小可根据以下公式（2）求得：

式中：Q为锚杆锚固力，MN；K为安全系数，一般取1.5～2 m；a1、a2为锚杆间排距，m；γ为不稳定岩层平均重力密度，MN/m3。

顶板锚杆间排距可根据以下公式（3）求得：

根据实测数据可最终求得：顶板锚杆长度不小于2.25 m，顶板锚杆直径18.2～21 mm，顶板锚杆间距700 mm。

帮部锚杆支护参数根据自然平衡拱理论计算可得，锚杆长度为3 m，间排距为700 mm。锚索长度的确定应与锚杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩相连，锚固在内部稳定岩层中，可计算为长7100 mm，直径18.9 mm，间距1350 mm，排距800 mm。

结合矿井现场实际地质条件，设计巷道采用锚网索支护，具体支护方案如下：顶板锚杆采用Φ20 mm×2300 mm 高强度螺纹钢锚杆，锚索采用规格为Φ18.9 mm×7100 mm，锚杆布置的间距和排距分别为700 mm、800 mm，锚索间距为1350 mm，排距为700 mm，配套150 mm×150 mm×10 mm 的鼓形托板；两帮采用Φ20 mm×3000 mm 高强度螺纹钢锚杆，间距和排距均为800 mm；采用K2350和Z2350 两种树脂锚固剂进行锚固。支护设计图如图5。

图5 41103 工作面运输巷支护参数（mm）

4 支护效果分析

现场施工后，布置测站对巷道围岩的深部位移、巷道表面位移以及锚杆（索）受力情况进行监测，测站15 个，每个测站间隔20 m，部分结果如图6。现场监测结果表明：1）巷道围岩表面变形情况。采用“十”字交叉法布置的测点进行围岩变形监测，可知两帮累计移近量最大16 mm，顶底板相对移近量最大32 mm。2）围岩深部位移监测结果及顶板离层分析。测站所在位置深部围岩位移量随着工作面推进呈增大趋势，但位移量均较小，深基点最大离层为20 mm。3）锚杆（索）受力情况。锚杆（索）受力监测可知，两帮锚杆（索）受力主要受拉应力，顶部大多数受力为压应力，所有的锚杆（索）受的轴力处于最大屈服载荷以下，说明所选择的锚杆（索）杆体强度满足要求。

图6 1#深基点位移计观测结果图

5 结论

41103 工作面运输巷回采期间，不仅受到本工作面回采的影响，还受到相邻工作面回采后的影响，回采巷道变形严重。采用理论分析、数值模拟分别研究了静压、动压对巷道的影响，根据工程类比经验提出高强度螺纹钢锚网索支护技术，并应用于现场。通过现场监测，新支护技术很好地控制了围岩变形，杜绝了巷道返修，为相似回采条件的巷道支护提供宝贵的经验。