倾斜煤层直角梯形巷道支护参数优化的数值模拟研究

李 昊，李娅琪，郑鑫健

（华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201）

煤炭是我国最主要的能源，煤炭储量虽然丰富，但储煤地层状况复杂多变。其中倾斜煤层开采难度大，巷道支护难度高[1]。相较于近水平煤层，倾斜煤层开挖巷道后的围岩应力呈现出非对称特征，严重影响了巷道的稳定性。针对这一情况，国内外学者对倾斜煤层巷道支护技术进行了大量研究。陈新年[2]针对倾斜煤层直角梯形巷道围岩出现非对称变形破坏问题给出了倾斜煤层直角梯形巷道围岩应力的分布规律及破坏特征，并依次设计了合理的支护系统；
沈攀[3]针对倾斜煤层巷道围岩应力分布复杂等问题，对倾斜煤层直角梯形巷道支护技术进行了系统研究，并根据结果提出了具有针对性的非对称支护方案；
刘鹏[4]分析了岩层自重应力倾斜方向的分量和水平应力对巷道围岩应力分布规律的影响，然后根据围岩应力分布提出相应的支护措施；
熊咸玉[5]采用理论分析、数值模拟计算、室内相似模拟试验等方法对倾斜煤层直角梯形巷道围岩应力非对称分布特征进行研究，可为支护方案的选取提供科学依据；
魏思祥[6]针对倾斜煤层巷道围岩应力分布规律问题，建立了不同岩层倾角的数值计算模型，计算分析了倾斜煤层在动压作用下的围岩应力变化过程，通过对计算结果的分析得知，岩层倾角越大，不对称系数越大；
王鹏举[7]研究表明倾斜煤层沿空掘进巷道围岩呈明显不对称受力状态及变形破坏特征，巷道断面与岩层倾斜方向成钝角的部位首先产生变形破坏，随后产生连锁反应，巷道的其他部位破坏，最后造成整个巷道破坏失效。颜景玉[8]为解决急倾斜厚煤层软岩支护难题，通过调研分析、理论计算、数值模拟，提出采用“高强锚杆+高预紧力锚索+ 金属网+W 钢带”做基本支护，特殊地点做加强支护，数值模拟和现场监测表明，该支护方案有效控制了巷道顶板及两帮变形，支护一次到位。

本文在现有的支护技术上，以山西黄岩汇5 号倾斜煤层为工程背景，对5301 工作面的直角梯形回风巷道进行数值模拟研究，通过计算分析不同支护参数下的围岩应力云图，得出最优的支护方案，并依据施工后的矿压观测结果进行验证，从而为相似的地形工作面直角梯形回风巷道施工，提供参考依据。

5301 工作面位于5 号煤层，埋深557 ～621 m，平均埋深为584 m；
整体倾角27°～35°，平均倾角为29°，根据划分属于倾斜煤层。可采煤层煤质好，储量大，有少许夹矸，厚度为5.24 ～6.61 m，平均厚度为5.53 m；
老顶与老底以粉砂岩、中粒砂岩为主，直接顶与底板以泥岩为主。回风巷巷道断面为直角梯形，设计净宽为4 200 mm，低帮为3 000 mm。

在考虑实际工程条件及简化计算的基础上，参考相关数值模拟的文献[9-11]，采用FLAC3D 对5301直角梯形巷道不同支护参数进行数值模拟计算。本构模型选用Mohr-Coulomb 模型，模型尺寸为：长×宽×高=200 m×50 m×57.18 m。直角梯形巷道埋深为584 m，倾角为29°。具体模型岩层力学参数见表1。

表1 模型岩石力学参数Table 1 Mechanics parameters of model rock

2.1 锚索排布方式的数值模拟结果

为了分析锚索排布方式对围岩应力产生的影响，使用FLAC3D 建立计算模型，分别对锚索呈“1-1-1”排布与“2-2-2”排布及“3-3-3”排布的模型进行数值计算，得出计算结果如图1～图3所示。

图1 锚索呈“1-1-1”排布时的应力云图Fig.1 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of"1-1-1"

图2 锚索呈“2-2-2”排布时的应力云图Fig.2 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of"2-2-2"

图3 锚索呈“3-3-3”排布时的应力云图Fig.3 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of"3-3-3"

如图1 所示，当锚索呈“1-1-1”排布时，由垂直应力云图可知，巷道顶板受到的垂直应力在2～7 MPa，低帮侧顶板出现明显的高应力区，不利于巷道顶板的稳定，巷道两帮的不平衡集中应力最大值为17.61 MPa，过高的集中应力会影响两帮的稳定；
同时由水平应力云图可知，巷道高帮侧顶板所受水平应力的最大值为18.04 MPa，且较大的高应力区明显不利于顶板的稳定，严重可能导致冒顶事故。

如图2 所示，当锚索呈“2-2-2”排布时，由垂直应力云图可知，巷道顶板受到的垂直应力在2～6 MPa，相比图1（a） 低帮侧顶板无明显的高应力区，顶板范围内受力完整连续，均匀的围岩应力有利于顶板稳定，巷道两帮的不平衡集中应力最大值为16.66 MPa，集中应力明显下降有利于两帮的稳定；
由水平应力云图可知，相比图1（b） 巷道高帮侧顶板所受水平应力最大值下降为17.41 MPa，但高应力区仍较大，不利于顶板的稳定。

如图3 所示，当锚索呈“3-3-3”排布时，由垂直应力云图可知，巷道顶板受到的垂直应力在2～6 MPa，相比图2（a） 顶板范围内受力均匀区域进一步扩大，有利于顶板稳定。巷道两帮的不平衡集中应力最大值为16.13 MPa，集中应力下降有利于两帮的稳定；
同时由水平应力云图可知，相比图2（b） 巷道高帮侧顶板所受水平应力下降12～14 MPa，且高应力区明显减小，有利于顶板的稳定。

根据图1、图2、图3 可知，锚索呈“3-3-3”排布时，巷道围岩相比锚索排布呈“1-1-1”、“2-2-2”排布时受力更加均匀，更利于巷道的稳定，方便后续施工及维护。

2.2 锚索角度的数值模拟结果

为了分析锚索角度对围岩应力产生的影响，使用FLAC3D 建立计算模型，分别对锚索垂直底板时与锚索垂直顶板时的模型进行数值计算，得出计算结果如图4、图5 所示。

图4 锚索垂直底板时的应力云图Fig.4 The stress cloud diagram of anchor cable vertical floor

图5 锚索垂直顶板时的应力云图Fig.5 The stress cloud diagram of anchor cable vertical roof

如图4 所示，当锚索垂直底板时，由垂直应力云图可知，巷道顶板受到的垂直应力在2 ～8 MPa，低帮侧顶板出现明显的高应力区，不利于巷道顶板的稳定，巷道两帮的不平衡集中应力最大值为16.45 MPa，过高的集中应力会影响两帮的稳定；
同时由水平应力云图可知，巷道高帮侧顶板所受水平应力最大值为18.06 MPa，且较大的高应力区明显不利于顶板的稳定，严重可能导致冒顶事故。

如图5 所示，当锚索垂直顶板时，由垂直应力云图可知，巷道顶板受到的垂直应力在2 ～6 MPa，相比图4（a） 顶板范围内受力完整连续，均匀的围岩应力有利于顶板稳定，巷道两帮的不平衡集中应力最大值为16.01 MPa，集中应力下降有利于两帮的稳定；
同时由水平应力云图可知，相比较图4（b） 巷道高帮侧顶板所受水平应力下降为12 ～16 MPa，且高应力区明显减小，有利于顶板的稳定。

根据图4、图5 可知，锚索垂直顶板时，巷道围岩相比锚索垂直底板时受力更加均匀，更利于巷道的稳定，方便后续施工及维护。

2.3 顶板锚杆数量的数值模拟结果

为了分析顶板锚杆数量对围岩应力产生的影响，使用FLAC3D 建立计算模型，分别对顶板锚杆数量为4、5、6 时的模型进行数值计算，得出计算结果如图6、图7、图8 所示。

图6 顶板锚杆数量为4 时的应力云图Fig.6 The stress cloud diagram with 4 roof bolts

图7 顶板锚杆数量为5 时的应力云图Fig.7 The stress cloud diagram with 6 roof bolts

图8 顶板锚杆数量为6 时的应力云图Fig.8 The stress cloud diagram with 6 roof bolts

由图6 可知，当顶板锚杆数量为4 时，由垂直应力云图可知，巷道顶板受到的垂直应力在2 ～7 MPa，低帮侧顶板出现明显的高应力区，不利于巷道顶板的稳定，巷道两帮的不平衡集中应力最大值为16.43 MPa，过高的集中应力会影响两帮的稳定；
同时由水平应力云图可知，巷道高帮侧顶板所受水平应力最大值为17.82 MPa，且较大的高应力区明显不利于顶板的稳定。

由图7 可知，当顶板锚杆数量为5 时，由垂直应力云图可知，巷道顶板受到的垂直应力在2 ～6 MPa，相比图6（a） 低帮侧顶板无明显的高应力区，顶板范围内受力完整连续，均匀的围岩应力有利于顶板稳定。巷道两帮的不平衡集中应力最大值为16.23 MPa，集中应力下降有利于两帮的稳定；
同时由水平应力云图可知，相比图6（b） 巷道高帮侧顶板所受水平应力最大值下降为17.66 MPa，但高应力区仍较大，不利于顶板的稳定。

由图8 可知，当顶板锚杆数量为6 时，由垂直应力云图可知，巷道顶板受到的垂直应力在2 ～6 MPa，相比图7（a） 顶板范围内低应力区域进一步扩大，有利于顶板稳定，巷道两帮的不平衡集中应力最大值为16.21 MPa，集中应力下降有利于两帮的稳定；
同时由水平应力云图可知，相比图7（b） 巷道高帮侧顶板所受水平应力下降为14 ～16 MPa，且高应力区明显减小并远离顶板，有利于顶板的稳定。

根据图6、图7、图8 有以下结论：顶锚杆数量为6 时，巷道围岩相比顶锚杆数量为4、5 时受力更加均匀，更利于巷道的稳定，方便后续施工及维护。

综上所述，5301 直角梯形巷道的支护方案参数可优化为锚索呈“3-3-3”排布且垂直于顶板，顶锚杆数量为6。

3.1 巷道支护方案

根据现场施工要求并参考类似方案[12-13]，5301工作面直角梯形巷道设计参数如下。

顶锚杆参数为φ24 mm×2 600 mm 左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，施工间排距为800 mm×800 mm，每排布置6 根锚杆。帮锚杆参数为φ24 mm×2 600 mm 左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，施工间排距为800 mm×800 mm，低帮每排布置4 根锚杆，高帮每排布置7 根锚杆。锚索采用φ17.8 mm×5 250 mm 高强度预应力钢绞线，锚索施工间排距为800 mm×1 600 mm，每排布置3 根锚索。具体支护设计如图9 所示。

图9 5301 工作面直角梯形巷道支护示意Fig.9 Right angle trapezoidal roadway support in No.5301 Face

3.2 现场矿压观测

为验证优化后支护系统对巷道围岩的控制效果，选取巷道30 m 距离作为相应的观测段，通过十字布点法安装激光测距仪，对围岩表面位移状况进行观测，根据现场矿压观测结果确定5301 工作面直角梯形巷道支护设计是否合理。巷道表面位移随工作面推进距离变化如图10 所示。

图10 5301 工作面直角梯形巷道表面位移监测曲线Fig.10 Surface displacement monitoring curve of right angle trapezoidal roadway in No.5301 Face

由图10 可知，在巷道开始推进后，顶板位移在0 ～70 m 时快速上升，在70 ～100 m 时趋于稳定，在100 m 处达到最大值78 mm 且趋于稳定；
两帮位移在0 ～60 m 时快速上升，在60 ～90 m 时趋于稳定，在90 m 处达到最大值61 mm 且趋于稳定。整体过程稳定，未出现冒顶片帮现象，且变形量处于允许范围之内，说明优化后的支护系统可以合理有效的控制围岩，实现安全高效的掘进作业。

（1） 根据数值模拟结果可以得出，当锚索呈“3-3-3”排布且垂直于巷道顶板时，可以有效控制围岩，降低围岩应力并消除高应力区，有利于直角梯形巷道的稳定。故优化后的锚索参数应为呈“3-3-3”排布与垂直巷道顶板。

（2） 当顶锚杆数量为6 时，可以有效控制围岩，降低围岩应力并消除高应力区，有利于直角梯形巷道的稳定。优化后的顶锚杆参数应为6 根。

（3） 将优化后的支护参数应用于实际施工，并通过现场矿压观测结果可知顶板最大位移为78 mm，帮最大位移为61 mm。变形量均处于允许范围内，即优化后的直角梯形巷道支护参数是合理有效的。