贾静伟

（晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我国煤炭资源储量丰富，据统计煤炭资源在我国能源结构中占比约为70%，石油能源占比为7%，天然气及其他能源占比为23%，可以明显看出煤炭资源在我国能源结构中的绝对主导地位。且在未来几十年内，煤炭资源的主体地位无法改变，煤炭资源作为我国基础能源，其高效安全开采是矿井开采的重要目标。但由于开采年限的不断增加，煤层开采逐步向着埋深较大的煤层进行转移，由于工作面深度的增大，巷道的围岩变形难以控制，巷道稳定性受到较大威胁。巷道支护对于巷道稳定性的维护十分重要[1-2]，但在巷道支护过程中，支护参数的合理十分重要，支护过当会造成支护成本的增加，而支护不足则无法满足巷道变形量控制要求，所以需要选定合理支护参数，来确保效益与安全的最大化[3-4]。本文以雁崖煤业为研究对象，对支护方案进行优化设计，为矿井安全开采提供参考。

1 原有支护方案

矿井井田东西长度为8.790 km，井田南北宽度为6.149 km，面积29.783 7 km2，矿井批准开采煤层9、10、11、12、13 号，煤层开采深度700~980 m。目前9 号煤层已完成开采，正开采10 号煤层。矿井采用开平硐开拓方式，顶板采用全部垮落法进行管理，开采方式采用长壁综放开采。10 号煤层为黑色，条痕褐黑色，煤层厚度为4~6.2 m，煤层平均厚度为4.8 m，煤层普氏硬度为1.4，煤层的倾角为0°～3°，煤层平均倾角为1.2°。

工作面顺槽顶板选用Φ18 mm×1 800 mm 螺纹钢锚杆，锚杆的间距、排距均为1 000 mm，每支锚杆采用三支CK2350 锚固剂进行锚固，采用端头锚固，锚杆的扭矩大于200 Nm，锚杆的锚固力大于50 kN，锚杆外露长度设定为10~50 mm。巷道顶板锚索采用一根Φ15.24 mm× 8 000 mm 的钢绞线。锚索选用Φ15.24 mm×8 000 mm。工作面顺槽两帮支护，锚杆选用3 根Φ18 mm×1 600 mm 玻璃钢锚杆及3 根Φ18×1 600 mm 的圆钢锚杆，锚杆锚固采用CK2350树脂锚固剂，每根锚杆采用一支锚固剂，同样采用端头锚固，锚杆的间排距为1 000 mm、1 000 mm，设定锚杆的扭矩力大于100 N·m。巷道支护断面图如图1所示。

图1 原支护断面图（单位：mm）

矿井原有支护方案下巷道支护控制较差，所以对原有支护方案进行优化，在保证矿井安全开采的前提下，提高支护效率及支护经济效益。所以提出如下支护优化方案，通过优化顺槽的支护强度，从而提高支护效率。通过降低锚杆的间排距及锚索布置等方式降低巷道支护成本。

对原有支护方案下的支护效果进行数值模拟研究，选定FLAC3D数值模拟软件，建立模型尺寸100m×100 m×45 m 的模型，对模型进行网格划分，在进行网格划分时，由于人为划分网格时会存在一定的影响，所以选定随机网格生成方式进行网格划分，对模型进行约束设定，固定模型左右及下部边界的位移，在模型的上端部施加覆岩自重，根据岩石的容重及埋深计算可得施加的均布荷载为8.6 MPa，模型选定摩尔库伦模型为本构模型，对模型进行物理参数设定，根据实际工作面岩层力学性质进行设定，完成模型设定后对模型进行计算，如图2 所示为原有支护方式下锚杆的应力分布云图。

图2 原支护方案下巷道模拟云图

由图2 可以看出，在回采巷道选用原支护方案时，此时的巷道应力云图分布呈现对称的趋势，对称轴为巷道的中轴线，在回采巷道的两帮位移塑性区宽度大约为0.9 m，此时在巷道，两帮塑性区位置的应力最大值为5.5 MPa，应力的最大值出现在巷道四个角的位置。此时顶板岩层塑性区的发育高度大约为0.5 m，顶板出现部分卸压趋势，顶板的平均应力值为1.5 MPa。在巷道的两帮位置出现较大范围的应力集中，同时通过观察塑性区分布情况可以发现，巷道发生塑性破坏的单元块呈三角堆积状分布在围岩四周，在巷道的围岩顶板及底板位置塑性变形单元数量较多。

2 支护方案优化

根据模拟结果对顺槽支护进行优化，顶板支护选用Φ18 mm×2 000 mm 的矿用普强螺纹锚杆，间排距选定为1 200 mm、1 000 mm，每支锚杆采用一支CK2335 和一支K2350 锚固剂进行锚固，在顶板采用冷拔丝网进行护表，冷拔丝网的规格为5 400 mm×1 150 mm。锚杆托盘采用普强蝶形托盘，托盘尺寸为150 mm×150 mm×8 mm。两帮采用Φ18 mm×1 800 mm 的玻璃锚杆及圆钢锚杆进行支护，锚杆的间排距为1 100 mm、1 200 mm，锚杆采用CK2335 锚固剂进行锚固，两帮采用冷拔丝网进行护表，冷拔丝网的规格为3 000 mm×1 150 mm。锚杆同样采用普强蝶形托盘，尺寸相同。同时采用Φ15.24 mm×8 000 mm 的鸟窝锚索进行辅助支护，锚索托盘为高强度托盘，托盘尺寸为300 mm×300 mm×10 mm。顶板锚杆的扭矩设定为200~250 N·m，两帮的锚杆的扭矩设定为玻璃锚杆50~100N·m，圆钢锚杆扭矩设定为玻璃锚杆100~150 N·m，支护断面图如3 所示。

对优化后的支护方案进行模拟研究，优化后支护方案模拟云图如图4 所示。

图3 支护优化后断面图（单位：mm）

图4 支护优化方案下巷道模拟云图

从图4 可以看出，在对回采巷道进行支护优化后，即两顶角锚杆倾斜75°，此时巷道两帮形成的塑性区宽度虽然与未支护时没有明显的变化，但此时在两帮位置的最大应力有了一定的下降，应力下降至5.0 MPa，与原支护方案对比，应力的最大值降低了0.5 MPa，所以可以看出，设定顶角锚杆与巷道垂线角度并不会对巷道的两帮塑性区有明显的改善，但能够改变两帮的受力环境。观察塑性区分布云图可以看出，经过支护优化后，此时的顶板塑性区的块数有了一定的下降，特别在顺延斜锚杆方向。新支护方案对巷道的顶板应力区分布有较大的影响，优化后的顶板应力区有所减弱，可以看出，优化后的支护方案较支护前巷道稳定性有了较大幅度的提升。

3 结语

1）对原有支护方案下在回采巷进行模拟研究，发现在巷道两帮位移塑性区宽度大约为0.9 m，两帮塑性区位置的应力最大值为5.5 MPa，巷道塑性破坏的单元块呈三角堆积状分布在围岩四周。

2）根据原有支护方案及模拟结果，对顺槽支护进行优化，通过降低锚杆的间排距及锚杆布置等方式，给出了顺槽支护优化设计方案。

3）对优化后的巷道应力及塑性区分布进行模拟研究，发现优化后顶板塑性区的块数有了一定的下降，新支护方案对巷道的顶板应力区分布有较大的影响，顶板应力区有所减弱，支护优化较为成功。