采动影响巷道支护参数优化研究
时间：2022-12-06 22:15:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈道志，侯记川
(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛市 266590；
2.陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西 咸阳市 712000)
随着煤矿开采深度和强度的不断增加，矿井开采条件越来越复杂，回采巷道在开采扰动下，矿山压力显现剧烈，围岩破碎，变形量大，影响巷道的正常使用[1-3]。目前，锚杆支护是我国煤矿最主要的支护形式。许多专家和学者做了大量的研究工作，使得锚杆支护理论日趋完善，支护技术得到快速发展[4-8]。锚杆支护作为一种主动支护，通过改善围岩体应力分布和提高围岩体强度来充分发挥围岩的自承载能力，具有显著的技术经济效益[9]。
某煤矿10#煤二采区位于井田西翼，即东西翼大巷以北，工业广场以西，和井田边界圈定的范围划分为二采区。该采区南北走向长为1700 m，东西倾斜长为1048 m，为一不规则形状，面积1.644 km2，批准开采4#～10#煤层，开采深度1130～778 m 标高。根据煤层赋存条件及开采技术条件，采用一次采全高综合机械化放顶煤采煤法。
6206 与10206 回风顺槽分别服务于6#、10#煤层，巷道断面尺寸见表1。
表1 6206、10206 回风顺槽断面尺寸
原支护方案均采用锚杆、锚网、梯子梁、锚索联合支护，断面形状为矩形。在实际生产期间，发现接替工作面紧邻回采工作面一顺槽巷道受动压影响，巷道变形量较大，存在顶板锚索破断等问题。由于6#、10#煤层工作面上下同时开采（分层同采）且留有一定安全错距，因此对10206 动压巷道围岩稳定性及其支护方案进行重点分析与探讨。
动压巷道围岩变形控制应当满足巷道围岩整体性控制原则、充分发挥沿空掘巷自身承载能力原则、高预应力和预应力扩散原则、“三高一低”原则、临界支护强度与刚度原则、相互匹配原则、可操作性原则[6]。在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，以降低巷道支护综合成本。
基于锚杆、锚索支护参数计算结果，为10206回风顺槽设计了3 种支护方案。各支护方案支护参数见表2。其中，方案一为原支护方案。
表2 10206 动压巷道支护方案
3.1 数值模型的建立
采用FLAC3D数值模拟软件[7]，对10206 回风顺槽在不同支护方案时的应力分布及变形特征进行研究，以便为10206 动压巷道支护方案的合理制定提供依据。根据10206 回风顺槽的煤层顶、底板结构及其他条件，确定巷道数值计算模型，据此分析不同支护参数时巷道的围岩应力分布及变形特征。
3.1.1 模型边界条件
计算模型以10206 回风顺槽实际参数为依据。模型底边界施加位移约束条件；
模型上边界与左右边界施加应力边界条件，即顶部为应力和位移自由边界；
模型的两个侧面采用法向约束。本次模拟计算施加垂直应力σz=5.0 MPa，由于巷道埋深较浅，巷道周围无大的水平构造，因此侧压系数λ 取0.5。
3.1.2 模型建立和网格划分
根据工程实际情况及本次数值模拟的目的，模拟计算范围选取10#煤层稳定的底板至6#煤层稳定的顶板共计80 m 范围内的煤、岩层。在巷道轴向取较小值，并采用位移约束条件限制其变形，以保证模型符合平面应变问题的基本假定。模型大小沿x方向取81 m，y方向取8 m，z方向取80 m，数值计算模型尺寸81m×8m×80 m，单元体数59 040个，节点数68 796 个。煤岩层按水平状态考虑，建立的数值计算模型如图1 所示。
图1 数值计算模型
3.1.3 本构模型及岩层参数
计算模型中岩层破坏准则选取Mohr-Coulomb准则[12]。通过Set Large 命令模拟巷道围岩大变形。通过FLAC3D中的坐标更新命令，在每个计算时步后，通过更新节点坐标的方式将位移增量加到节点坐标上，以材料网格的移动和变形模拟巷道围岩的大变形。数值模拟的煤系地层力学参数见表3。
表3 数值模拟煤岩层力学参数
3.1.4 数值计算过程
模型建立后先进行初期应力平衡计算，使边界施加的应力在模型内均匀传递，然后进行6#煤层采煤工作面的回采，再进行10#煤层10206 回风顺槽的开挖、支护。数值模拟中锚杆、锚索由Cable 单元生成。计算平衡后，对10206 回风顺槽的围岩变形及变形量进行分析。
3.2 数值计算结果分析
3.2.1 6#煤层开挖数值模拟
模型初始应力形成后，开挖6#煤层采煤工作面，并模拟6#煤层采煤工作面开挖后的围岩应力分布特征，如图2 所示。
由图2（a）可知，6#煤层采煤工作面经过开采后，在采空区中部，垂直应力恢复至原岩应力水平；
在采空区两侧煤壁附近底板10 m 范围内，垂直应力显著降低；
然后，随着距6#煤层底板距离的增加，垂直应力逐渐恢复至原岩应力水平。在数值模型中，6#煤层与10#煤层的层间距为35.5 m，由于距离较远，6#煤层开挖引起的垂直应力扰动对10#煤层的影响较小。由图2（b）可知，6#煤层采空区底板岩层中存在较大范围的水平应力降低区，由于6#煤层与10#煤层的层间距较大，6#煤层开挖引起的水平应力扰动对10#煤层的影响也较小。
图2 6#煤层开采后数值计算模型初始应力云图
3.2.2 10206 回风顺槽开挖数值模拟
在6#煤层采空区左帮的正下方开挖10206 回风顺槽，巷道宽度取4.5 m，高度取3.0 m，分别按照表2 中设计的3 种支护方案进行模拟。各支护方案的数值模拟结果如下所述，重点探讨了巷道周边应力与位移分布规律。
（1）方案一模拟分析。由图3（a）可以看出，在深入两帮3.0 m 处垂直应力最大，最大值为7.74 MPa，这与巷道开挖引起的应力重分布有关。由图3（b）可以看出，水平应力最大值在巷道底板正下方5.0 m 处，最大值为3.45 MPa。此外，两种情况下巷道表面围岩出现应力降低现象，这表明围岩出现了塑性变形。由图3（c）可以看出，在距巷道4个角2.0 m 位置出现了剪应力集中，最大值为1.53 MPa。
图3 10206 巷道开挖后应力云图（方案一）
由图4（a）可以看出，巷道开挖后顶板变形量在许可范围内，其中巷道顶板中部下沉量最大，最大值为31.07 mm，底鼓量最大值为12.14 mm，顶底板最大移近量为43.21 mm。由图4（b）可以看出，巷道右帮中部水平变形量最大，最大变形量为12.31 mm，左帮最大变形量为6.60 mm，两帮相对移近量最大值为18.91 mm。
图4 10206 巷道开挖后位移云图（方案一）
（2）方案二模拟分析。由图5（a）可以看出，在深入巷帮2.5 m 处垂直应力最大，最大值为7.75 MPa，这与巷道开挖引起的应力重分布有关。由图5（b）可以看出，水平应力最大值在巷道底板正下方5.0 m 处，最大值为3.43 MPa；
此外，两种情况下巷道表面围岩出现应力降低现象，这表明围岩出现了塑性变形。由图5（c）可以看出，在距巷道4个角2.0 m 位置出现了剪应力集中，最大值为1.52 MPa。
图5 10206 巷道开挖后应力云图（方案二）
由图6（a）可以看出，巷道开挖后顶板中部下沉量最大，最大值为26.82 mm，底板底鼓量最大值为11.87 mm，顶底板最大移近量为38.69 mm。由图6（b）可以看出，巷道两帮中部水平变形量最大，左帮最大变形量为5.45 mm，右帮最大变形量为9.04 mm，两帮相对移近量最大值为14.49 mm。
图6 10206 巷道开挖后位移云图（方案二）
（3）方案三模拟分析。由图7（a）可以看出，在深入两帮2.5 m 处垂直应力最大，最大值为7.76 MPa，这与巷道开挖引起的应力重分布有关。由图7（b）可以看出，水平应力最大值在巷道底板正下方5.5 m 处，最大值为3.43 MPa。由图7（a）和7（b）还可以看出，巷道表面围岩出现应力降低现象，这表明围岩出现了塑性变形。由图7（c）可以看出，在距巷道4 个角2.0 m 位置，出现了剪应力集中，最大值为1.51 MPa。
图7 10206 巷道开挖后应力云图（方案三）
由图8（a）可以看出，巷道开挖后顶板中部下沉量最大，最大值为25.29 mm，底板底鼓量最大值为12.29 mm，顶底板最大移近量为37.58 mm。由图8（b）可以看出，巷道两帮中部水平变形量最大，左帮最大变形量为4.98 mm，右帮最大变形量为9.16 mm，两帮相对移近量最大值为14.14 mm。
图8 10206 巷道开挖后位移云图（方案三）
由图3、图5 和图7 可以得出，巷道在开挖后，采用3 种不同支护方案时，巷道围岩应力分布状态及最大应力基本一致。但在3 种支护方案下，巷道围岩不同位置的最大位移却有较大差异，其对比如图9 所示。
由图9 可知，从巷道整体围岩变形量看，方案一＞方案二＞方案三，即随着支护强度的增加，巷道围岩变形量减小。由于采用方案二时的巷道围岩变形量与方案三（支护强度最大的方案）相差不大，结合支护成本因素综合考虑，推荐采用方案二作为优化支护方案。
图9 不同支护方案下巷道围岩变形对比
3.3 动压巷道支护参数确定
通过理论计算与数值模拟分析对10206 回风顺槽支护参数进行了研究，获得了最优支护方案，即采用锚杆+锚网+钢筋梯子梁+锚索联合支护。
顶板支护时，锚杆采用Φ20 mm×2200 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距均为1000 mm×900 mm。锚杆呈矩形布置，每排布置5 根。两帮支护时，锚杆采用Φ20 mm×2000 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×900 mm，每排布置4 根。
针对某矿10#煤层工作面顺槽巷道受6#煤层采动影响的实际情况，通过现场调研、理论分析、数值模拟、工程试验等方法，对10#煤层受采动影响巷道支护参数进行了优化研究，得到如下结论:
（1）为维护动压巷道围岩的稳定性、确保巷道安全使用，提出了采用“锚杆+锚网+钢筋梯子梁+锚索”联合支护方案；
（2）通过理论计算与模拟分析，优化确定的巷道合理支护参数为：顶板锚杆间排距为1000 mm×900 mm，高强锚杆Φ20 mm，长度为2200 mm；
两帮锚杆间排距为800 mm×900 mm，高强锚杆Φ20 mm，长度2000 mm；
顶板锚索Φ17.8 mm，长度7200 mm，间排距为1400 mm×1800 mm；
（3）通过现场监测，10#煤层工作面巷道断面收缩率较小，巷道整体变形量小，完整性较好，表明支护方案二参数设计合理。
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