同煤某礦進風巷支護機理及數值分析研究

楊 軍

（同煤集團四臺礦機掘二隊， 山西 大同 037007）

隨著我國采煤技術的日益發(fā)展及煤炭資源的日漸緊張，煤礦開采作業(yè)深度不斷加深，巷道布置也因含水層、瓦斯涌出量等地質環(huán)境變得越來越復雜。由于受到復雜巷道應力場及采掘擾動應力場的影響，巷道采掘進后處于塑性大變形階段，當地質條件復雜時，若采用常規(guī)支護設計難以滿足巷道穩(wěn)定，從而發(fā)生井下安全事故。目前井下巷道支護設計主要依賴提高錨桿剛度、強度及增加支護錨桿數量等方式，而往往對護表強度不夠重視，這就造成了高成本支護后還會發(fā)生頂板冒落等情況[1]。

金屬網作為巷道護表常見于各種巷道的支護方案中，但是常常出現金屬網破裂、巷道頂部垮落等情況，其主要原因是該支護方案設計過程中只是將金屬網作為功能性配件，而未將錨桿和網進行強度耦合分析，造成了金屬網未達到提高支護強度的目的[2]。

本文對同煤集團某礦進行研究，該礦工作面在進入采空區(qū)后變形劇烈，巷道頂板靠近采空區(qū)側下沉明顯，煤柱側顯著破裂，巷道兩幫和底鼓嚴重。因此，該礦工作面采用錨桿、網耦合支護。

1 錨桿、網耦合支護機理

在復雜地質環(huán)境的巷道支護設計時，多種支護方式并不能只是簡單的疊加，而需對各種支護方式進行充分研究，優(yōu)化支護機理。通過各支護方式的機理耦合，達到各支護方式的優(yōu)勢互補以提高圍巖的穩(wěn)定性[3]。

金屬網與錨桿的耦合支護，主要是利用網的低強度面支護與錨桿的高強度點支護相結合，在錨桿作用不到的圍巖部分，金屬網能提供足夠的承載力。

在巷道圍巖支護時，護表網終端承載力散裝分布于各錨桿，同時，錨桿的支護范圍與錨桿長度、直徑、托盤尺寸及預緊力等因素有關，在錨空區(qū)金屬網作為護表網對破碎圍巖進行支護，護表網受到碎落圍巖載荷時，形成網兜[4]，如圖1 所示。

圖1 護表網兜示意圖

護表網參數包括金屬絲直徑D、金屬材料強度σ、金屬網長度L、網寬B、金屬網目數及網孔形狀。對于金屬絲而言，可分為非接觸段AB、CD段與接觸段BC段，AD段長度為金屬絲形變前長度。下面對金屬網絲進行分析，根據靜平衡圍巖均布載荷在BC段的力與金屬絲在豎直方向合力相等，即，

式中：Tr為AB段金屬絲拉力；Pr為破碎圍巖重力；a為AD段長度；H為網兜下沉量。

由上式可以看出，網兜下沉量與網格尺寸成正比，其比例系數為tanβ。根據材料力學，

式中：σ 為金屬絲拉應力；S為金屬絲橫截面積；E為彈性模量。

因此，提升護表網金屬絲橫截面及其彈性模量可有效減小圍巖網兜下沉量，提高金屬網護表能力。

護表網有效提供圍巖護表能力的判定依據為網片承受載荷大于破碎圍巖對護表網所施加的載荷，此時護表網可與錨桿達到耦合支護狀態(tài)，兩種支護手段均發(fā)揮其支護作用。因此，錨桿間排距的選擇可直接影響是否達到強度耦合的狀態(tài)。對于破碎圍巖，可將其體積簡化為[5]：

式中：L為錨桿間排距的一半；α 為四棱狀破碎圍巖錐角。

2 進風巷數值分析研究

根據該工作面進風巷工程地質條件及其巷道環(huán)境參數，采用FLAC3D 軟件對進風巷進行建模，模型取巷道軸向的水平垂直方向為X軸，巷道軸向為Y軸，高度為Z軸，巷道截面為4.5 m×2.5 m，巷道長度為50 m，建立模型如圖2。

圖2 進風巷分析模型

對模型分別采用如下兩種方案進行支護：

1）方案一。錨桿支護，采用20 mm 直徑長度為2.2 m 錨桿，間排距為1 m×1 m。

2）方案二。錨桿與菱形網耦合支護，采用20 mm直徑長度為2.2 m 錨桿，間排距為1 m×1 m，菱形網為60 mm×80 mm，直徑4 mm 鐵絲網。

分別將上述兩種方案設置為模型約束條件，并對模型進行仿真分析。得到如圖3 仿真結果。

圖3 巷道塑性區(qū)分布云圖

由圖3 可以看出，方案一采用錨桿單獨支護條件下，巷道四角塑性區(qū)較大，采用方案二錨桿與菱形網耦合支護條件下，塑性區(qū)顯著縮小，兩幫塑性區(qū)有增大趨勢，但總體較小。因此，錨桿+金屬網耦合支護可有效改善圍巖塑性區(qū)分布，對巷道形變量可有效控制。

下面對圍巖應力進行進一步仿真，得到如圖4所示。

圖4 巷道圍巖應力分布云圖

由圖4 可以看出，方案一采用錨桿單獨支護條件下，應力峰值出現在頂板應力集中區(qū)域，值為5.6 MPa；采用方案二錨桿與菱形網耦合支護條件下，巷道圍巖應力集中現象有所減弱，頂板應力集中區(qū)擴大，應力峰值降為4.3 MPa。因此，錨桿+金屬網耦合支護有效改善了巷道圍巖應力分布狀態(tài)。

3 結論

通過對錨桿與金屬網耦合機理分析及巷道支護仿真，得到如下結論：

1）對金屬網作為護表網在巷道支護中的作用進行分析，得到金屬網可與錨桿進行強度耦合，提高巷道支護能力。

2）建立了金屬網絲對破碎圍巖的受力模型，并對模型進行分析，得到金屬網參與耦合支護的判定依據，并給出金屬網參數選擇方法。

3）通過對同煤某礦工作面建模仿真，得到金屬網與錨桿耦合支護可有效改善巷道圍巖塑性區(qū)分布，這也是同煤集團現階段各礦采用此種支護方式的原因。

4）通過對巷道圍巖應力云圖分析，得出金屬網與錨桿耦合支護可有效減小巷道圍巖應力峰值，提高巷道支護的安全性和穩(wěn)定性。