霍志强

（大同煤矿集团朔煤小峪煤业有限公司，山西 朔州 038300）

煤矿生产效率的提高除了与综采设备的可靠性和高效性有关外，在很大程度上依赖于回采巷道的稳定性[1-2]。一旦回采巷道出现变形及较严重的破坏将可能生产中断，严重的会造成人员伤亡事故。因此，加强对巷道支护技术及工艺的研究，分析巷道围岩变形破坏的原因并提出针对性的支护设计方案，对提升巷道的支护效果具有十分重要的意义。本文以小峪煤矿2104巷为研究背景，分析巷道顶板失稳及冒落的原因，在此基础上提出支护优化方案并通过有限元模拟技术对支护方案的有效性进行验证。

1 工程概况

小峪煤矿2104巷位于南I盘区北翼，沿19#煤层掘进。19#煤层走向286°，倾向NE，倾角2°～5°，煤层总厚度7.29～8.78 m，平均厚7.94 m。19#煤层结构从上到下分别为：煤、泥岩、煤、高岭岩、煤。其中，上段煤厚2.98～3.77 m，均厚3.35 m，泥岩厚0.20 m；中段煤厚0.35～0.52 m，均厚0.42 m；高岭岩厚1.04～2.15 m，均厚1.44 m； 下段煤厚2.29～2.84 m，均厚2.53 m。19#煤层直接顶为砂质泥岩，厚4.5 m，普氏硬度系数3～5，直接底为砂质泥岩，厚1.4 m，普氏硬度系数3～5，老底为中粒砂岩，厚3.6 m，普氏硬度系数4～6，见表1。该巷道地质条件复杂，处于向斜构造范围，两翼倾角6°～8°，围岩的原岩应力水平较高，造成巷道围岩整体呈破碎状。

表1 煤层顶底板情况

2104巷设计为半圆拱形，宽5 m，高3.2 m，掘进断面积为16 m2，设计长度860 m；从2108巷西帮开口，以292°方位角掘进860 m，西部为实煤区，东部为2108、5108巷，南部为实煤区，北部为厚约1.4 m岩墙。2104巷368～860 m对应上覆为16#煤层4823、8124、8126工作面采空区，层间距约12 m。2104巷对应地表位于水泉沟、大黄沟北部，大西沟西部，上部有大西沟支沟发育，无任何建筑物。地面标高+1 341～+1 295 m，工作面标高+1 137～+1 145 m。

2 支护方案的数值模型分析

2.1 数值计算模型

以2104巷实际煤岩赋存条件为基础，通过FLAC3D建立有限元模型，并对有限元模型进行参数赋值及边界条件设定，模型设计的主要原则如下：

（1）模型必须充分考虑巷道原岩应力条件，同时建模过程中必须将巷道实际的顶底板条件考虑在内；

（2）模型的尺寸、单元的划分及边界条件的设定应综合考虑现场实际及模型的计算量；

（3）应将巷道的动态掘进过程考虑在内，巷道在掘进过程中应力、应变等是逐渐变化的，不可一次开挖距离过长。

根据上述建模原则，采用FLAC3D软件内置建模命令建立2104巷数值计算模型，见图1。考虑边界效应的影响，模型整体尺寸为巷道直径的5倍，模型尺寸为30 m×60 m×90 m。模型共有32 000个网格单元，390 256个节点。同时，在模型的前后左右四侧采用位移约束条件，设定位移为0；在模型下侧设定位移约束条件，设置位移为0；在模型上方采用应力边界条件，根据工作面埋深及模型尺寸，在模型上表面施加应力2.5 MPa（25 000 kN/m3×100 m）以模拟上覆岩层的作用力。采用软件内置锚杆单元建立并布设锚杆，锚杆布设方式根据现有支护方案设计，见图2。

图1 2104巷数值计算模型

图2 2104巷现有支护形式

2.2 不同支护方案设计

2104巷在巷道开挖的不断扰动下，顶板下沉速度逐渐变大，甚至出现局部片帮及冒顶现象，部分巷道有碎石外漏，并出现脱落情况，整体顶板的破坏情况严重。

（1）巷道冒顶原因分析

2104巷原设计采用锚网联合支护方式，锚杆采用螺纹钢树脂锚杆,锚杆长度为2 200 mm，直径为Φ20 mm，在巷道两帮各布置3根锚杆，锚杆间排距为900 mm×1 500 mm，顶板布置五根锚杆，间排距为1 000 mm×1 500 mm，采用全长锚固的方式，锚杆预应力为0.05 MPa，金属网规格为100 mm×100 mm 。

2104巷地质条件复杂，围岩的原岩应力水平较高但煤层顶板强度较低；同时巷道围岩节理裂隙极其发育，致使整体块状结构较少，在受到开挖造成的应力集中作用后就会失去平衡，从而发生冒顶。此外，原有方案中锚杆支护设计的预应力及长度明显不足，对于巷道围岩不能起到很好的加固作用。

（2）支护优化方案

在充分考虑巷道的具体条件包括宽度、高度、原岩应力水平、巷道围岩强度及松动圈范围等因素的基础上，对锚杆的支护参数进行重新优化；同时，从安全及经济的角度进行综合考量，最终确定增加锚杆长度并喷射混凝土进行巷道支护，见图3。

图3 优化支护方案

具体优化方案采用C30混凝土、喷射厚度为100 mm。为使锚杆端部能够固定于坚硬稳定的岩层内，锚杆长度增加至2 800 m，采用全长锚固的方式，将锚杆预应力提高至0.15 MPa。

3 模拟结果分析

图4中2104巷在原支护方案下，巷道围岩塑性区主要集中于巷道的拱顶及拱角部，模型内发生屈服的单元数量高达178个，巷道围岩塑性破坏区，即松动圈深度达到7 m。这表明巷道拱顶及拱脚处的集中应力较大，没有充分的提高围岩的整体承载能力。

图4 模拟巷道围岩塑性区发育情况

当采用优化后的支护方案进行巷道支护时，无论是巷道的顶部、拱脚还是巷道两帮的塑性区范围及应力集中系数，均得到了较好的控制。巷道塑性区范围被控制在了1.5 m 以内；其中，巷道拱顶以张拉破坏形式为主，而拱角和墙角以剪切破坏形式为主。优化支护方案有效的减弱了巷道角部的应力集中程度，提高了巷道两帮及顶底板的自承能力，减少了巷道两帮的塑性变形。同时，通过对巷道顶板、两帮和墙角进行加固，减少了两帮及顶底板破裂围岩的变形速度及变形量。支护参数优化后的巷道变形完全控制在要求的范围内，可以有效的提高巷道围岩的承载能力，降低围岩的变形程度，同时抑制了松动圈在巷道失稳破坏后的进一步扩大。

4 结语

1）分析了小峪煤矿2104巷顶板冒落严重的原因：巷道围岩原岩应力较大且围岩较为破碎，同时，原支护设计中锚杆长度较短，不能打入稳定坚固的岩层内，造成锚杆本身不稳定。

2）通过优化巷道支护方案，提高锚杆长度及预紧力。支护优化后，围岩塑性区范围大大降低，降低至1.5 m，同时围岩变形速度及变形量可以控制在

要求的范围内。