花草灘煤礦+1300 m 水平西翼回風大巷支護模擬分析與應用

張 明

（陜西建新煤化有限責任公司，陜西 銅川 727102）

1 概況

張掖市宏能煤業有限公司花草灘煤礦位于甘肅省山丹縣縣城東南方向，礦井設計生產能力為180萬t/a，主要開采煤層為煤1、煤和煤2。煤2 按其所含夾矸情況分為上、下兩個分層，煤2上煤層為煤2 煤層的上分岔煤層。煤1的平均厚度為1.82 m，受到各種地質條件的綜合影響，從而造成局部增厚或變薄，平均傾角為17°。該區域整體形態為一單斜構造?，F需要對+1300 m 水平西翼回風大巷進行延深開拓，+1300 m 水平西翼回風大巷在煤1 中，回風大巷停頭平面與層位（a 圖中實線變虛線且巷道名稱標注位置為停頭位置）見圖1。

圖1 +1300 m 水平西翼回風大巷停頭平面與層位

2 巷道圍巖結構觀測

該區地層巖性不單一，多少存在部分地質構造，煤層頂、底板巖石力學性能較差，較多為不堅固巖石～中等堅固巖石，支護不易[1-2]。于+1300 m 水平西翼回風大巷距掘進頭10 m 處進行鉆孔窺視，鉆孔窺視結果匯總見表1。

表1 鉆孔窺視結果

由+1300 m 水平西翼回風大巷外側鉆孔窺視結果可知，距孔口0.70～2.47 m 范圍內，縱向裂隙較發育，少量存在節理和裂隙等不連續面；距孔口3.56～7.81 m 之間圍巖裂隙不發育，圍巖結構較完整[3-4]?？傮w來說，窺視點頂板條件較好，層理與裂隙普遍不發育，破碎區范圍較小，圍巖完整性較好，頂板整體性好[5]。

3 巷道圍巖巖性

根據+1300 m 水平西翼回風大巷附近鉆孔所取巖芯巖性分析和提供的地質資料，獲得+1300 m 水平西翼回風大巷圍巖穩定性分類有關的頂板巖石單軸抗壓強度、底板巖石單軸抗壓強度、巷幫煤層單軸抗壓強度、巷道埋深、護巷煤柱寬度等7 個參數及其變化范圍，見表2。

表2 巷道圍巖穩定性分類基本參數

根據圍巖穩定性分類，各參數為表2 所示。根據頂板、底板和煤層的單軸抗壓強度的普氏硬度系數可以看出，+1300 m 水平西翼回風大巷沿煤1 底板布置，屬于Ⅲ類中等穩定圍巖；結合巷道埋深、護巷煤柱寬度、采動影響系數和圍巖完整性指數，因此，按Ⅲ類中等穩定圍巖設計+1300 水平西翼回風的支護方式與支護參數。

4 數值模擬

對+1300 m 水平西翼回風大巷進行數值計算與模擬分析。模擬主要考慮錨桿不同排距對巷道圍巖穩定性的影響：對比無錨桿支護、錨桿排距分別為600 mm、800 mm 和1000 mm 四種情況。煤層傾角17°，+1300 m 水平西翼回風大巷為直墻半圓拱形斷面：毛斷面寬5300 mm，高4750 mm，其中直墻高2100 mm，拱形半徑2650 mm，沿煤1 底板布置，左側水平距離50 m 保護煤柱，左側為實體煤。沿巷道截面方向為X 軸，開挖的+1300 m 水平西翼回風大巷位于模型中間，左、右側距模型右邊界30 m；巷道掘進方向為Y 軸，沿掘進方向取40 m；豎直方向為Z 軸，煤1 底板向下取15 m，煤1 頂板向上取20 m。故整個模型尺寸65 m×40 m×40 m。模型底部沿邊界Y 方向固定，左右兩側沿邊界X 方向限制水平位移，模型頂部邊界自由，作為施加均勻載荷（即考慮到模擬地下深部巖層，不可能建模到地表），在模型頂部邊界上施加均布載荷q模擬模型上覆巖層的重量。由于本次設計的+1300 m 水平西翼回風大巷最大埋深為800 m，屬于深部煤層，需考慮煤巖體側壓的影響。根據地應力測試結果，本次模擬取垂直應力20 MPa，水平應力10 MPa。為了能夠準確研究巷道開挖引起的圍巖應力及塑性區變化情況，建立模型過程中，作為重點分析的煤1 和煤2 層、直接頂及老頂、直接底范圍內塊體尺寸取值較小、致密，上覆巖層塊體尺寸逐次遞增。該模型共分30 420 個小單元。數值模型計算如圖2。

圖2 +1300 m 水平西翼回風大巷計算模型

模擬過程中主要考慮巷道圍巖的垂直、水平應力分布規律，圍巖變形特征和屈服范圍。

4.1 模擬計算結果與分析

1）圍巖塑性區模擬結果分析

模擬時，錨桿排距為600 mm、800 mm、1000 mm 時3 種方案的錨桿間距固定800 mm 不變，錨索排距為800 mm。圖3（a）、3（b）、3（c）、3（d）分別為無支護、錨桿排距600 mm、800 mm、1000 mm 方案下的+1300 m 水平西翼回風大巷圍巖塑性區分布圖。

從圖3 中可以看出：

① 無錨桿支護情況下，頂板塑性屈服范圍最大為1.75 m，兩幫塑性屈服范圍最大2 m，底板屈服范圍最大2.5 m。頂板表現為拉破壞和剪破壞，以剪破壞為主；底板以剪破壞為主；兩幫以剪切破壞為主?？梢钥闯?，若不及時采取支護，巷道極易產生頂板大面積垮落、底鼓及兩幫嚴重片幫。

② 頂板塑性屈服范圍最大為1.75 m，巷道直接頂為砂巖、砂質泥巖，塑性區范圍較大，頂錨桿長度應不小于2.4 m（錨固長度不低于600 mm）?？梢詫⒁寻l生塑性破壞的巖層錨固到巷道上覆穩定巖層中，同時需采用錨索進行補強，可有效控制頂板變形。

兩幫塑性屈服最大范圍為2 m，幫錨桿有效長度應不小于2 m。同時為進一步發揮錨桿的加固和組合作用，幫錨長應大于間距的2 倍為宜。

③ 錨桿排距分別為600 mm、800 mm 方案下的巷道頂底板塑性區面積基本一致，相比無支護頂底板塑性區面積有顯著減少，有明顯的支護效果；錨桿排距為1000 mm 方案下的巷道頂底板塑性區面積略大，支護效果一般。

2）圍巖應力分布規律分析

圖4（a）、4（b）、4（c）、4（d）分別為無支護、錨桿排距600 mm、800 mm 和1000 mm 方案下的垂直應力分布云圖。圖5（a）、5（b）、5（c）、5（d）分別為無支護、錨桿排距600 mm、800 mm 和1000 mm 方案下的水平應力分布云圖。

圖4 不同錨桿排距下巷道的垂直應力分布云圖

圖5 不同錨桿排距下巷道的水平應力分布云圖

從圖4、圖5 中可以看出：

① 在巷道頂板、底板范圍內形成拉應力區和垂直應力降低區域，頂板中形成了一個類似拱形的應力降低區。本模擬中原巖垂直應力為20 MPa，現定以原巖應力的80%范圍為明顯應力降低區，在垂直應力為16 MPa 處，即所謂的“卸載拱”?！靶遁d拱”的范圍主要集中在頂板2 m 范圍左右，說明頂板2 m 范圍內巖層處于不穩定狀態，該區域頂板易破壞。卸載拱范圍內的頂板巖層只是相對原巖應力場產生了一定程度的卸載作用，而并非完全卸載。巖層的承載能力與所受的載荷之間仍可能建立起新的平衡關系，因此，支護設計應充分利用卸載拱內巖層自身的承載能力，顯然這一點對錨桿支護具有特別重要的意義。

② 錨桿、錨索預緊力聯合作用在錨桿和錨索組成的主要結構中，形成了有效不斷續的壓應力區。錨桿排距為1000 mm 方案下拉應力作用范圍相較于無支護情況顯著減少；錨桿排距分別為600 mm 和800 mm 兩種方案下拉應力作用范圍相比無支護情況幾乎消除，支護效果明顯。

③ 在巷道兩幫形成明顯水平應力降低區，降低區范圍1.5 m 左右。結合塑性區分布情況可知，巷幫淺部1.5 m 范圍煤體松動，巷幫淺部圍巖對頂板的支撐作用明顯降低，這也意味著頂板的實際跨度增大，穩定性降低。因此，對巷幫采取有效的支護措施，不僅有利于巷幫本身的穩定，而且也有利于頂板的穩定。

④ 與無支護相比，巷道兩幫垂直應力峰值更靠近巷幫，說明支護提高了兩幫圍巖的強度，形成了強度較高的整體錨固結構體，兩幫圍巖處于穩定狀態。

通過數值模擬計算，可以得出無支護情況下斷面收縮率為28%，在錨桿排距600 mm、800 mm和1000 m 方案下斷面收縮率分別為5.7%、7.2%和11.5%?？紤]礦方巷道維護工作量，建議選取第2種方案，即錨桿排距為800 mm。

4.2 圍巖支護分析

通過對+1300 m 水平西翼回風大巷的數值模擬結果可知，無支護巷道頂板塑性屈服范圍最大為1.75 m，兩幫塑性屈服最大范圍2 m，底板屈服范圍最大4.5 m，其中頂部表現為拉破壞和剪切破壞，兩幫以剪切破壞為主，底部以拉破壞為主。巷道頂底板圍巖垂直存在明顯的拉應力區：頂底板中部3.2 m 范圍內垂直應力降低明顯，兩幫2.5 m 范圍水平應力降低明顯，若不及時采取支護，易導致頂板大面積垮落、底鼓及兩幫嚴重片幫。根據數值模擬結果，+1300 m 水平西翼回風大巷采用螺紋鋼錨桿、錨桿排距為800 mm、錨索排距為800 mm 的支護方案（模擬時錨桿排距為600 mm、800 mm、1000 mm 時3 種方案的錨索排距均為800 mm）。通過+1300 m 水平西翼回風大巷的數值模擬結果可知，無支護巷道頂板塑性屈服范圍最大為1.75 m，兩幫塑性屈服范圍最大2 m，底板屈服范圍最大2.5 m，其中頂部表現為拉破壞和剪切破壞，兩幫以剪切破壞為主，底部以拉破壞為主。巷道頂底板圍巖垂直存在明顯的拉應力區：頂底板中部3.2 m 范圍內垂直應力降低明顯，兩幫1.5 m 范圍水平應力降低明顯，易導致頂板大面積垮落、底鼓及兩幫嚴重片幫。

錨桿排距分別為600 mm、800 mm 方案下的巷道頂底板塑性區面積變化不大，相比無支護頂底板塑性區面積有顯著減少，有明顯的支護效果；錨桿排距為1000 mm 方案下的巷道頂底板塑性區面積略大，支護效果不好；無支護情況下斷面收縮率為28%，在排距600 mm、800 mm 和1000 m 條件下斷面收縮率分別為5.7%、7.2%和11.5%。綜上所述，考慮巷道開拓成本、維護成本，選擇錨桿排距為800 mm。

5 工業性試驗

+1300 m 水平西翼回風大巷巷道按照半圓拱形斷面：毛斷面寬5200 mm，高4700 mm，其中幫2100 mm，拱形半徑2600 mm，幫頂做100 mm 厚的320 混凝土噴漿。采用螺紋鋼錨桿、錨桿排距為800 mm，錨索排距800 mm，錨桿間距800 mm，全斷面布置，錨索間距1000 mm，每排布置5 根進行加強支護。為了檢驗模擬分析結論是否和工業實踐監測結果基本相符，要求專人固定班次，采用尺子直接測量，頂板與底板垂直方向間隔200 mm 各設置一個點，每次測量讀取，取平均值進行統計；兩幫也是采用相同的方法進行平均統計取值。通過170 d 的監測記錄并匯總監測數據，+1300 m 水平西翼回風大巷巷道中的頂底板移近量和巷道腰線兩幫移近量監測結果如圖6。

圖6 留巷后圍巖變形與工作面距離的關系

分析圖6 可知，+1300 m 水平西翼回風大巷開拓后，巷道頂、底板相對位移量較腰線處兩幫相對變形量更大，但是從總體數據上來分析，兩幫和頂底板的總位移變化量并不算大，甚至可以說算比較小，即表明巷道圍巖整體的絕對位移量算是比較穩定的。截至開拓完成170 d，巷道中間處頂底板最大位移量為143 mm，腰線處兩幫最大位移量為77 mm。同時可以看出，圍巖變形速率趨緩，位移速率明顯下降，基本已經穩定下來了。通過監測表明，圍巖變形速率趨緩，基本穩定，巷道能滿足現場生產要求。

6 結論

通過對花草灘煤礦+1300 m 水平西翼回風大巷支護模擬分析與應用可以看出，巷道頂、底板位移量和腰線處兩幫變形總體均不大，即表明巷道圍巖整體的絕對位移量不大，同時圍巖變形速率趨緩，位移速率明顯下降，選用的支護方案滿足安全生產需要。