火成岩侵入区煤层巷道支护方案数值模拟分析

张文浩

（同煤集团塔山矿，山西 大同 037003）

1 概况

永定庄矿于2018年11月开拓3-5#煤层，3-5#层盘区皮带巷设计为半圆拱形断面，掘宽4.3m，净宽4m，掘高3.45m，净高3.3m。

在盘区皮带巷掘进300m范围内遇多处火成岩侵入，顶煤最大冒落高度为1.8m，随掘随冒，支护时锚索因钻孔成形不好无法正常安设，给工作面安全生产造成威胁，无法保证3-5#煤层正常的生产接替，急需对火成岩侵入区巷道的变形破坏特征进行研究，最终形成火成岩侵入区巷道围岩控制技术[1-3]。

2 采区巷道基本支护参数

根据巷道破碎深度的探测结果，盘区巷道围岩松动圈平均为2.75m。根据松动圈支护理论及锚喷支护建议，如表1所示，应采用锚杆、喷层及局部挂金属网的支护方式，锚杆设计依据组合梁理论[4]。

表1 巷道围岩松动圈分类及锚喷支护建议

（1）永久支护。采用锚网喷加锚索联合支护形式。顶锚杆按9排齐排布置，排距0.7m，间距0.8m，锚索按两排齐排布置，排距1.4m，间距为1.6m。锚索长度均为8m。如施工巷道顶板破碎、有压力或遇特殊地质构造时应缩小锚杆及锚索的排、间距，并制定专项措施。

（2）帮部支护。护帮锚杆采用Ф22mm×2200mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，护帮锚杆按左右各两排齐排布置，排距0.7m，间距0.8m，网采用长边顺巷方向布置，网与网短边对接用网本身铅丝重新穿缀，并将网片与煤帮贴紧，每根锚杆上一卷树脂药（K2360），护帮要求滞后工作面不大于5m。

3 支护方案数值模拟优化

3.1 数值计算模型

按照实际地质条件，模型尺寸300m×300m×90m，单元总数为46680。数值模型如图1所示。模型上边界施加边界载荷p=11MPa以模拟上覆岩层自重，模型其他三个边界均为位移约束。

图1 数值模型示意图

3.2 模型岩层参数的选择

巷道围岩及煤体参数包括密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、剪胀角以及抗拉强度，如表2所示。

表2 计算采用岩体力学参数

3.3 数值计算方案

对3-5#层盘区皮带巷基本支护形式进行FLAC3D有限差分模拟。模拟以下两种支护方案：

方案一：锚杆间距0.8m，排距0.7m，长度2.2m；锚索长度8m，间排距为1.6m×1.4m。帮锚杆长度2.0m，间排距0.8m×0.7m。

方案二：锚杆间距0.8m，排距0.85m，长度2.4m；锚索长度6m，间排距为1.6m×1.7m。帮锚杆长度2.0m，间排距0.8m×0.85m。

3.4 数值计算结果及分析

（1）巷道顶底板移近量的模拟。在巷道施工过程中，巷道顶底板位移量对巷道安全施工非常关键，同时也是对支护设计的最直接检验。因此，对顶底板竖直方向的位移模拟是本次数值模拟分析的一个重点。考虑到实际工程进展和施工工艺，结合数值模型的边界条件与现实情况的差别，选择模型中巷道中段y=50m处围岩为研究对象，记录该段每天的顶底板移近量。

图2 方案一垂直位移云图

开始时，掘进施工对巷道的顶底板位移有较大影响，随着掘进面往远处推进这种影响也越来越弱，然后逐渐趋于稳定。从模型的垂直位移云图2上看，随着计算时间的推移，尤其在计算末期，方案一的垂直位移变形量要小于方案二。

（2）巷道两帮收敛量的模拟分析。选择模型中巷道中段y=50m处围岩为研究对象，记录该段每天的两帮收敛量。

图3 方案二水平位移云图

实际开挖过程中，掘进面距离监测断面比较近时，对其巷道两帮收敛的影响较大，随着开挖的进行，掘进面距离监测断面越来越远，对监测面巷道两帮位移的影响会减小。从巷道围岩的水平位移云图3中可以发现，短时间看两方案水平位移的最大变化量接近一致，但方案二的水平变形影响范围更大，随着时间的推移，可能出现由影响范围向影响程度的转化，这种影响趋势不利于巷道的长久稳定。

（3）巷道围岩塑性区的模拟分析。选择模型中巷道中段y=50m处围岩为研究对象，记录该段每天的塑性区的变化。

图4 方案一围岩塑性区云图

由图4可以看出，巷道开挖支护完成之后，第1天的塑性区顶部和底部较大，顶部最大值约1m，底部最大值约2m，两帮较小约0.6m。第1天产生的塑性区占后来稳定后的塑性区的60%以上。因为巷道向前掘进并不会等到该塑性区达到稳定以后再进行，所以该断面的塑性区域还会随着时间的延续而自发地持续增加；再加上随后离其较近处巷道开挖的影响，该断面的塑性区会增大的更快，由上图可以明显地看出随后紧接着开挖对塑性区的发展影响最大。5天以后的塑性区变化不太明显，顶部最大值1.5m，底部塑性区最大值2.5m，两帮的塑性区最大值1m。表明该断面的塑性区已经趋于稳定，所以巷道开挖后，应迅速及时地对巷道进行支护，这对控制巷道围岩塑性区的发展非常有利。

两方案相比，在巷道围岩塑性区的控制上方案一优于方案二；从第10天巷道塑性区云图上看，方案二巷道右帮的塑性区范围明显大于方案一，说明方案一对于围岩的控制更加有效。

4 结语

针对火成岩侵入区掘进顶板易冒落、锚索锚固效果差等问题，提出有针对性的巷道支护方案。根据火成岩侵入区巷道优化设计试验段的实际工程情况，建立合理的数值模型，对掘进期间巷道的支护效果进行模拟分析，确定最优方案为：锚杆间距0.8m，排距0.7m，长度2.2m；锚索长度8m，间排距为1.6m×1.4m。帮锚杆长度2.0m，间排距0.8m×0.7m。