程 子 厚
(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)
晋华宫煤矿半煤岩巷支护参数优化分析
程 子 厚
(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)
以晋华宫煤矿为例，对该煤矿8号煤层工作面皮轨合一巷支护参数优化进行了研究，运用FLAC3D建立皮轨合一巷的数值模型，结合原支护方案进行数值分析，可知巷道顶板围岩较为稳定，且锚杆轴向受力远小于其极限荷载，并依据模拟结果和现场经验，设计皮轨合一巷的优化支护方案，通过数值分析可知，优化支护方案能够维持巷道围岩的稳定，降低了巷道支护成本。
半煤岩巷，围岩，支护参数，数值模拟
目前，一些老矿井逐渐将开采重点放在薄及中厚煤层，该类煤层的运输巷、回风巷及顺槽多为半煤岩巷，而其巷道多采用工程类比法进行支护参数的选取，设计参数单一，偏于保守，造成支护材料与人工的浪费[1]，而且由于所依据的理论基础不同，锚杆支护的各参数会有很大的差异；另外，在计算中一些参数不能从实际中获取，计算结果存在局限性，因此理论计算存在很大的不足。
在这种情况下，随着计算机数值模拟技术的快速发展，数值模拟在井巷锚杆支护分析中发挥了重要作用。许多从事煤矿工作的科研人员对巷道支护进行了大量研究[2，3],数值模拟方法以其经济高效及适应范围广的特点在工程中得到了广泛应用[4]。本文利用数值模拟方法对晋华宫煤矿半煤岩巷8711工作面皮轨合一巷的支护进行了优化分析，确定了优化支护方案，在保证巷道围岩稳定的基础上，降低巷道支护成本。
1 工程地质概况
晋华宫煤矿位于大同市榆涧村庄西部，山地地形，冲沟较发育。该矿8号层煤层赋存稳定，其老顶为4.55 m砂质泥岩，直接顶为6.0 m粗粒砂岩，伪顶为0.66 m砂质泥岩，直接底为23.52 m砂质泥岩，该煤层厚度为1.2 m～1.58 m，平均厚度为1.4 m，煤层南部与北部较薄，中部较厚，总体为一单斜，走向近北东，倾向北西。顶板砂岩硬度系数为6～8，与7号层层间距不足12 m，倾角0°～5°，其中，8711工作面皮轨合一巷，东邻为实体，南至盘区机轨合一巷，西邻5 705巷，北部为实体，巷道为半煤岩巷，采用矩形断面，宽4.8 m，高2.65 m。
2 模型建立
根据岩石力学原理，掘巷后的应力影响范围约为巷道宽度的3倍～5倍，结合巷道尺寸，故整个模型尺寸：X×Y×Z=60 m×8.0 m×50.0 m，如图1所示。模型一共划分为55 360个单元和63 639个节点，如图1所示，整个模型从上到下依次为含砂泥岩、⑦-1煤、砂泥岩互层、细粒砂岩、⑦-3煤、砂质泥岩、粗粒砂岩、砂质泥岩、⑧煤、砂质泥岩，巷道位于⑧煤底部，模型X边界限制X方向的位移，模型Y边界限制Y方向的位移，模型底板限制各个方向的位移，模型顶板为自由面，施加垂向P0=6.76 MPa。确定本次数值分析采用摩尔库仑本构关系，其物理力学参数如表1所示。
3 巷道原支护及其数值分析结果
8711工作面皮轨合一巷采用“锚杆+锚索”联合支护，顶板锚杆采用φ18×2 000 mm左旋无纵筋螺纹钢式树脂锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm；锚索采用φ15.24×6 000 mm钢绞线，间排距为2 000 mm×3 000 mm；帮锚杆采用φ18×1 700 mm左旋无纵筋螺纹钢式树脂锚杆，与煤岩分界线夹角45°向上打入,如图2所示。
表1 8号煤顶底板围岩力学参数表
1)原支护方案的稳定性分析。通过数值分析可知，巷道开挖后巷道表面变形破坏，应力集中区向深部转移，巷道表面位移量呈线性增加，两帮监测点位移速度明显大于巷道顶底板监测点，由图3可知，施加支护后围岩变形量明显降低，逐渐趋于水平。巷道围岩变形稳定后，巷道两帮位移量较大，为62.8 mm，顶板次之，为51.8 mm，底板位移量最小为44.9 mm。巷道围岩位移云图如图4所示，巷道两帮变形明显大于巷道顶底板，巷道围岩的最大变形量处于巷道两帮的⑧煤层处，为91.0 mm，其次为巷道顶板。
从锚杆和锚索轴力分布图5可知，巷道两帮锚杆受力大于巷道顶底板锚杆，其中，两帮锚杆轴力极值为39.5 kN，而顶板锚杆轴力次之，为21.9 kN，均远小于锚杆破断荷载，可以降低锚杆支护强度，尤其是顶板支护强度。顶板锚索极值为123.4 kN，接近顶板锚索极限荷载一半，锚索受力较为合理，不需要调整。
2)支护参数优化分析。通过原支护结构的数值分析可知，巷道围岩变形较小，围岩稳定较好，尤其是顶板围岩较为稳定。锚杆受力偏小，尤其是顶板锚杆轴力接近其极限荷载的1/5，而锚索受力较为合理，所以可以适当降低顶板锚杆的支护强度，将顶板锚杆间排距由原来的1 000 mm×1 000 mm扩大为1 200 mm×1 200 mm，顶板锚杆数量由原来的5根减少为4根，锚索的间排距不变。
3)优化支护方案的稳定性分析。支护方案优化后，待巷道围岩变形稳定，通过数值分析可知巷道两帮位移量较大，为63.0 mm，顶板次之，为52.0 mm，底板位移量最小，为44.9 mm，见图6。巷道围岩位移云图如图7所示，巷道两帮变形明显大于巷道顶底板，巷道围岩的最大变形量处于巷道两帮的⑧煤层处，为94.0 mm，其次为巷道顶板。
从优化后锚杆受力分布图8可知，顶板锚杆受力为23.5 kN，小于锚杆破断荷载，顶板锚索极值为124.2 kN，锚索受力略有增加，但仍较为合理。所以该优化方案理论可行。
4 现场监测过程及结果
在改进支护段设立矿压监测点，监测顶板锚杆、顶板锚索和两帮锚杆受力，从2014年6月5号～2014年6月14号对监测点进行10 d矿压监测，每天监测一次，监测锚杆锚索受力如图9所示，顶板离层情况如图10所示，巷道表面受力情况如图11所示。
通过支护结构受力监测曲线可知，监测顶板锚杆受力初始值为1.73 t，随着时间增长而缓慢增加至1.89 t，之后顶板锚杆受力几乎无变化。而顶板锚索受力初始值为1.98 t，之后锚索受力平缓增加至2.31 t，锚索受力趋于稳定。监测两帮锚杆受力初始值为0.67 t，随着时间增长而缓慢增加，到第6天，第7天时锚杆轴向受力略有增加，至1.12 t，之后两帮锚杆受力几乎不再增加。
从顶板离层监测曲线可知，2.5 m离层监测点和8 m离层监测点的离层值几乎相同，安装后第2天离层值增加为2 mm，之后几乎不再变化，到第6天，7天离层值增加至5 mm，之后几乎没有增加。
从表面收敛曲线可知，顶底板移近量明显两帮移近量大，顶底板移近量在第2天～第3天增加至10 mm，第6天～第7天增加至30 mm，而两帮移近量几乎没有变化。
5 结语
1)晋华宫煤矿8号煤层围岩力学性质较好，顶板粗粒砂岩硬度系数为6～8，为皮轨合一巷提供较好的工程地质条件。
2)通过FLAC3D建立皮轨合一巷的数值模型，结合原支护方案进行数值分析，可知巷道顶板围岩稳定性好，位移量较小，而两帮位移量稍大，但均小于100 mm，而且锚杆轴向受力远小于其极限荷载。
3)结合模拟结果和现场监测数据，设计皮轨合一巷的优化支护方案：顶板锚杆间排距为1 200 mm×1 200 mm，通过数值分析及实测数据可知，优化支护方案能够维持巷道围岩的稳定，可降低施工成本，减少支护材料的消耗，更好的发挥锚杆的支护作用和围岩自承能力。
[1] 康红普，王金华，林 健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29(4)：649-664.
[2] 王汉鹏，李术才，李为腾.深部厚煤层回采巷道围岩破坏机制及支护优化[J].采矿与安全工程学报，2012，29(5)：631-636.
[3] 袁 亮，薛俊华，刘泉声.煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术[J].煤炭学报，2011，36(4)：535-543.
[4] 何学科，韦四江，郜进海.半煤岩巷锚杆支护参数优化数值模拟研究[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2009，28(6)：705-708.
Optimization analysis on support parameter in half-coal and half-rock roadway of Jinhuagong coal mine
Cheng Zihou
(BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China)
Optimization of support parameters in comprehensive transportation tunnel of No.8 coal seam of Jinhuagong coal mine are carried out. Numerical model of comprehensive transportation tunnel by FLAC3D is established. Numerical simulation on primary support program is performed. Surrounding rock of the roof is relatively stable. Besides, axial force of bolt is much smaller than its limit load. According to the simulation results and field experience, support scheme of comprehensive transportation tunnel is optimized. Through numerical analysis, the optimized support scheme can maintain the stability of surrounding rock and reduce the support cost of the roadway.
half-coal and half-rock roadway， surrounding rock， support parameters， numerical simulation
2015-01-15
程子厚(1982- )，男，研究实习员
1009-6825(2015)09-0073-03
TD353
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