李建沛

(河南质量工程职业学院，河南 平顶山 467000)

1 综放沿空掘巷围岩支护理论

1.1 综放沿空掘巷的围岩特点概述

综放沿空掘巷的巷道是沿着煤层底板布置的,整个围岩其实就是煤体本身,所以,巷道在掘进之前就已经发生了塑性变形[1]。根据砌体梁理论,工作面的顶岩梁会随着工作面的继续推进而折断,如图1中的岩块B和岩块C,随后发生挤压,最终形成外表如梁,但实际上是半拱的结构[2],而关键层理论更是将采场的上覆岩层起主要控制的岩层称为关键层,所以研究对上覆岩层的支护是非常重要的[3]。

图1 综放沿空掘巷围岩与上覆岩层断裂示意图

1.2 综放沿空掘巷的支护理论

根据砌体梁和关键层理论,上区段回采之后,采空区的上覆岩层和下区段连接的坚硬顶板岩层会发生断裂,整个结构类似于砌体梁。上区段的侧向支承压力逐步向煤体转移,最终砌体梁结构由于局部破坏自身发生较大变形,综放沿空掘巷正处于这样的应力区内,其承受的顶板压力主要就是顶煤和直接顶的自重压力,图1中岩块B的破坏主要服从S-R稳定条件[4]。巷道在掘进过程中巷道沿空侧的围岩变形量大于实体围岩变形,沿空侧的煤柱完全进入塑性状态,但是实体煤侧还要承受上区段的支撑压力。因此,在本区段工作面回采过程中巷道围岩的变形量实际上为掘进期间巷道变形的5-6倍之多。导致围岩变形的根据动力是地应力,为了控制综放沿空掘巷的围岩变形,必须控制地应力的大小,掌握巷道围岩的地应力分布[5]。

2 锚杆支护方案的选择

2.1 锚杆参数的选择

根据某矿沿空掘巷的地质特点和地应力结果,发现该矿属于高地应力条件,很容易发生煤矿围岩巷道的破坏,围岩的受力最容易在顶板和片帮出现矿山压力现象。因此,该巷道采用锚杆、锚网、锚索的联合支护,钢带采用梯形钢带,锚索采用直径为18 mm,长度为7 m的钢绞线,锚索的间距、排距为1 m×1 m,锚杆采用直径为22 mm,长度为2.4 m的钢树脂锚杆。

本文主要研究锚杆的布置方式,锚杆如果布置得过多,虽然保证了煤矿的安全生产,但是却增加了锚杆和人工量,造成了材料和人工成本的增高；锚杆如果间距、排距过大,巷道就会出现较大变形,产生冲击地压。因此,锚杆支护应该考虑煤矿的地应力,根据煤矿的实际情况,来进行锚杆的间距、排距设计。

2.2 锚杆支护方案的选取

影响锚杆支护参数的因素很多,对锚杆的长度和间距、排距的模拟是本文的重点,考虑到本巷道的最大主应力40 MPa,巷道采用22 mm的锚杆进行支护,本文就锚杆的间距、排距进行模拟研究,选取顶板和两帮不同的间(排)距如600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm等数值组合进行模拟。

表1 锚杆的间距和排距组合方案(单位:mm)

3 基于FLAC3D的模拟过程展示

3.1 模型建立

本模型采用FLAC3d进行模拟,模型的长度为250 m,宽度为180 m,考虑到煤层上覆岩层的压力传递特征,整个模型的高度采用100 m,进行网格划分后的模型如图2所示。

图2 划分后的模型

3.2 巷道掘进期间数值模拟展示

选取巷道掘进期间不同锚杆间距、排距下的巷道围岩变形,本文主要模拟的是如表1所示的方案。鉴于本文的篇幅所限,本文主要截取较为典型的600 mm*600 mm间距、排距模型、800 mm*800 mm间距、排距模型和1 000 mm*1 000 mm间距、排距模型进行模拟如图3-1、3-2、3-3所示。

图3-1 锚杆间距和排距为600 mm×600 mm

图3-2 锚杆间距和排距为800 mm×800 mm

图3-3 锚杆间距和排距为1 000 mm×1 000 mm

如图3-1、3-2、3-3所示,根据FLAC3D数值模拟软件的模拟结果来看,锚杆在间距、排距1 000 mm*1 000 mm时巷道围岩的变形量依然比较大,巷道变形很难在安全的范围之内,而在间距、排距600 mm*600 mm时候巷道的变形移近量最小,当锚杆支护间距、排距在800 mm*800 mm时候,锚杆支护的巷道的变形量已经在安全范围,考虑到整个巷道支护的安全性和经济性,将锚杆支护的布置形式采用的锚杆支护形式间距、排距为800 mm*800 mm方案,根据巷道围岩的变形特点,煤柱在掘进巷道过程中发生了塑性变形。因此,可以在顶板和生产帮两端的锚杆支护间距、排距采用800 mm*800 mm,但是在窄煤柱端,因为要承受岩块B的压力,因此选择的支护方式可以适当加强,本文选取间距、排距为750 mm*800 mm的支护方式。

3.3 不同锚杆间距和排距下巷道围岩的变形曲线

本文选取整个巷道的顶板和两帮的中间部位作为围岩的变化记录点,对巷道的两帮的位移进行监测,在巷道记录断面数据中,我们选取模型中部为y=90的位置,对整个围岩巷道的变形量进行整理,将不同间距、排距锚杆的变形量进行数据分析如图4所示。我们很容易看出随着锚杆支护间距、排距的增长,锚杆的两帮位移逐渐增大,该模拟结果符合理论分析,可以作为最终参考结果。

4 巷道表面位移结果观测

掘进期间巷道表面的位移监测是非常重要的,关系着整个巷道的支护结果。因此,我们在巷道的表面设置3个观测站,分别对巷道掘进后的顶板、底板和两帮进行观测,对相应的数据进行整理如图5所示。

图4 不同间距和排距锚杆支护下的巷道围岩变形曲线

(a)1#测点

(b)2#测点

(c)3#测点图5 掘进期间巷道围岩变形不同测点曲线图

从图5中可以看出,整个掘进期间两帮的变形量达到最大值为160 mm,而对于顶底板的巷道的最大变形量达到了80 mm,基本能够满足煤矿安全生产的需要,但是整个变形量相对较大,造成这种现象的原因主要是高地应力条件下锚杆支护的施工质量与理论有较小的出入。但巷道掘进期基本上能够保证围岩的稳定,不影响巷道的安全使用。

5 结论

本文利用FLAC3D数值模拟软件对整个巷道支护进行了模拟,最终将锚杆的间距和排距均控制在800 mm之内,可以有效地控制巷道的变形。通过巷道三个测站对巷道变形量的控制,可以验证巷道支护效果基本稳定,满足工程要求,支护设计比较合理。希望通过本文的研究,能够为高地应力巷道支护提供工程上的借鉴,为煤矿安全生产提供可靠保障。