基于FLAC3D采动巷道围岩支护参数优化分析

邹 剑

(鄂尔多斯市煤炭安全生产监管综合执法局， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

1 前言

由于我国煤炭资源开采强度大，除陕西、内蒙古等一些地区外，大部分服务年限较长的矿井已进入深部开采[1]。随着开采深部的增加，复杂的地质条件给矿井回采后支护增加了难度[2]。尤其是软岩巷道，顶板易破碎，在采动动压影响下，巷道围岩变形量大，如果不能及时采用有效的支护措施，巷道极易出现冒顶、片帮等事故，影响工作面的安全回采[3-5]。183下03胶顺顶板为泥岩，岩层强度低，受183下03工作面多次采用影响，顶板极易破碎，本文通过模拟不同参数锚网索支护巷道围岩变形量，结合矿井经济效益，确定最合理支护参数，确保巷道受动压影响时围岩不发生大的变形破坏。

2 工作面概况

183下03胶顺位于十八采区中部，南距北区西部辅运巷4.7 m，东距183上02胶顺11 m，西距183上03胶顺140 m，北至设计停采线以南80.5 m位置；掘进期间分别与十八采回风巷、北区西部胶带巷立交，立交岩柱分别为1.9 m、6.6 m。183下03胶顺掘进层位位于3上、3下煤层之间，顶底板主要为泥岩，岩层强度低，易破碎，底板主要为砂质泥岩、中粗砂岩，岩层相对较为坚硬。掘进过程中受3煤顶板砂岩水影响，巷道围岩遇水软化，在动压影响下，巷道围岩变形量大，尤其是顶板极易破碎，给巷道的支护带了困难，应及时采用有效的支护措施提高围岩稳定性，控制巷道变形破坏。

183下03胶顺掘进后采用锚网索支护，由于巷道围岩强度低，受动压影响后，巷道围岩稳定性差，需要对原有的支护参数进行优化。支护参数决定巷道围岩的稳定性，锚杆、锚索的规格和间排距决定着巷道围岩支护强度[6-7]。为了选择更合理的支护参数，需要对比锚杆、锚索不同参数巷道围岩变形量，选择既能保证稳定性，又能保证经济效益的支护参数[8-10]。根据183下03胶顺地质条件，设计了5种不同的支护方案，具体见表1。

表1 不同方案支护参数表

3 支护数值模拟分析

3.1 模拟方案

采用FLAC3D分别模拟183下03胶顺采用5种不同支护方案时，巷道围岩应力及位移变化情况，根据应力集中和围岩变形量情况，确定最合理的支护参数[11-12]。建立40 m×20 m×50 m的力学模型，垂直方向施加17 MPa应力，材料参数见表2。

表2 183下03胶顺材料参数

3.2 模拟结果分析

1) 无支护分析

183下03胶顺巷道掘进后，应力平衡状态被打破，若不及时进行支护，巷道围岩受动压影响，周边围岩变形量大。变形情况如图1所示。

图1 无支护巷道围岩变形情况

由图1可知，若183下03胶顺掘进后不进行支护，巷道顶板受垂直应力影响，出现应力集中现象，周边围岩变形量大，最大顶板变形量为178 mm；巷道两帮和底板受巷道掘进扰动影响，周边围岩形成应力降低区，变形量相对于顶板有了明显减小，最大两帮和底板变形量分别为40 mm、20 mm。

2)不同支护方案分析

采用FLAC3D模拟183下03胶顺采用5种不同支护方案时可知，采用锚网索支护后，巷道围岩的高集中应力向周边转移，使巷道的承载能力增大，围岩变形量，尤其是顶板变形量有了明显的减小。通过分析5种支护方案，采用方案1、2进行支护后，巷道围岩应力集中情况相似，明显小于方案3。因此，巷道支护时增加锚杆的密度，可以避免围岩出现应力集中，提高了围岩的支护强度。

183下03胶顺采用5种不同支护方案后，巷道周边围岩最大变形量情况，具体见表3。

由表3可知，183下03胶顺采用锚网索支护后，巷道周边围岩变形量相对未支护时有了明显减小。采用方案1、方案2时，巷道围岩变形量基本相同，最大顶板变形量减少64 mm以上，两帮和底板变形量分别减少10 mm左右；采用方案3时，最大顶板变形量仅减少42 mm，两帮和底板变形量均基本无变化。由此可知，方案1、2的支护效果相对于方案3更优，尤其是在控制顶板变形方面。

表3 不同支护方案周边围岩变形情况

在模拟巷道围岩变形量时，在顶板设置监测点，监测巷道顶板变形量，根据方案1、2、3监测结果可知，巷道采用锚网索支护后，顶板变形量会逐渐增大，并逐渐趋于稳定。其中，方案1、2、3顶板变形量最终稳定值分别为117 mm、121 mm、133 mm，方案1、2顶板变形量小于方案3。同时，方案1、2顶板变形量达到稳定值的速率大于方案3，顶板变形量更趋于稳定。由此可知，支护时锚杆越密，巷道顶板下沉量越小，更快达到稳定状态。方案1、2支护效果相对方案3更优，方案1、2应力集中和围岩变形情况基本相同，在考虑矿井经济效益的情况下，采用方案2支护更合理。

方案2、4、5支护参数不同在于锚索长度，比较3种方案的顶板下沉量，最终稳定值分别为122.0 mm、118.0 mm、118.2 mm，方案4、5变形量基本相同，采用方案5时锚索长度更短，考虑到经济效益，183下03胶顺采用方案5支护为最优方案。方案5支护后巷道应力和位移变化图如图2所示。

图2 方案5支护巷道围岩和应力示意图

由图2可知，183下03胶顺采用方案5支护后，应力和位移情况均在可控范围内，结合相邻巷道支护情况，采用长度8 000 mm锚索能够控制围岩变形量，方案5为最合理支护方案。

4 工程实践

4.1 锚网索支护

根据模拟5种不同支护方案围岩应力和位移变化情况，结合183下03胶顺相邻巷道支护情况，设计巷道锚网索支护参数，具体参数见表4。

表4 5102空巷锚网索支护参数

183下03胶顺顶板采用锚杆+钢筋网进行支护，锚索进行补强支护，每排布置6根锚杆，每梁布置3根锚索；两帮采用锚杆+金属网进行支护，至少布置3排锚杆。

由于巷道顶板变形量大，为进一步提高巷道顶板的支护强度，避免发生冒顶事故，采用21.6 mm×10 000 mm的恒阻锚索进一步加固巷道顶板。根据巷道的宽度，共布置3列恒阻锚索，沿着垂直方向向顶板施工。其中，第1列布置在距巷帮0.4 m处，排距为0.1 m；第2列、第3列布置在已支护常规锚索中间位置，排距分别为0.2 m、0.4 m。

4.2 注浆加固

虽然对183下03胶顺锚网索支护参数进行了优化，但巷道受183下03回采时多次动压影响，顶板易出现围岩变形破坏。因此，需要对巷道进行二次注浆加固，提高巷道围岩的承载能力，减小动压对围岩破坏的影响，注浆所用的设备及其参数见表5。

表5 注浆设备及参数

在183下03胶顺顶板、两帮分别布置4个、3个、3个注浆钻孔，注浆参数见表6。

表6 183下03胶顺注浆参数

5 效果检验

183下03胶顺受动压影响，顶板变形量大，采用锚网索支护+注浆加固后，通过设置监测点监测巷道顶板变形量，验证支护效果。

根据监测结果可知，在监测的一个月时间内，巷道顶板变形量先增加，后逐渐趋于稳定，稳定值为88 mm，巷道顶板的变形得到了控制，支护取得了良好的效果，即使在动压影响下，顶板变形量不影响巷道的安全。

6 结论

(1)183下03胶顺顶板为泥岩，岩层强度低，受183下03工作面多次采动影响，顶板极易破碎，为了提高巷道围岩的支护强度，需要对锚网索支护参数进行优化。通过布置不同锚杆密度、锚索长度，设计了5种支护方案，采用FLAC3D模拟5种方案支护情况下，巷道围岩应力和位移变化情况，确定最合理支护参数。

方案1、2、3锚杆支护密度不同，方案2、4、5锚索支护长度不同，根据模拟结果可知，锚杆支护越密，支护强度越高，顶板变形量越小；锚索支护越短，顶板变形量越小。结合矿井的经济效益，确定采用方案5，即顶板锚杆规格18 mm×2 000 mm，两帮锚杆规格16 mm×1 800 mm，间排距均为1 000 mm×1 000 mm；锚索规格为15.24 mm×8 000 mm，间排距2 000 mm×2 000 mm。

(3)巷道采用锚网索支护后，通过在巷道顶板、两帮分别布置4个、3个、3个注浆钻孔，对巷道进行注浆加固，进一步提高巷道围岩承载能力，减小动压对软岩顶板的破坏作用。通过监测顶板变形量验证支护效果，在监测的一个月时间内，顶板变形量在安全范围内，优化参数后的支护能够保证动压巷道的安全。