摘要：煤矿开采中辅助回风巷道具有埋深较大、围岩较为破碎特点，加之开采的扰动，导致巷道围岩应力重分布，使得巷道出现严重变形。为保证支护结构的稳定性，利用FLAC3D软件分析快速、高效的特点，将不同的参数巷道支护的数值模型导入FLAC3D进行分析、比对，优选出最优的支护的参数。通过此种优化方式，在保持原有支护结构形式不变的情况下，仅对支护参数进行优化，在提高施工效率以及节省成本方面，具有显著效果。
关键词：辅助风巷道、锚杆支护、FLAC3D、支护参数优化
引言
煤炭产业作为我国国民经济的重要组成部分，煤矿开采的安全运作对于国民经济的发展至关重要。由于开采过程不可避免对原有围岩应力场产生扰动，所以煤矿开采的同时巷道支护必然需要加强。
山西阳城县某公司煤矿3#煤层1采区中辅助风巷道作为通风、交通的重要通道，其安全稳定性十分重要。该巷道埋深较大、围岩较为破碎，都会导致巷道支护的稳定性受到影响，因此必须加强巷道支护。在不改变支护结构的形式下，根据以往的支护结构设计与最新的地质资料对结构进行优化，提高巷道支护的安全稳定性。
1工程概况
根据山西阳城县某公司的煤矿生产地质报告可知，该公司煤矿3#煤层1采区的盖山厚其盖山厚度为380～397m，辅助风巷道围岩为Ⅲ～Ⅴ级围岩，较为破碎。西辅助回风巷断面宽5.5m，高4.15m。巷道断面图如下所示：
图1 原辅助风巷道支护示意图
图2 原辅助风巷道尺寸示意图
原支护设计采用锚网支护，锚杆采用Φ22mm×2200mm普通螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800mm×800mm；靠近巷帮的顶锚杆安设角度为与铅垂线成10°，其余的垂直于顶板。支护结构以锚杆为主，所以选取待优化参数为“锚杆长度”与“锚杆间距”。
2数值模拟分析
西辅助回风巷道截面为矩形截面且为煤巷，数值模拟分析时选取截面尺寸为5.5m×4.15m。
2.1锚杆长度数值模拟
初步将锚杆材料的弹性模量确定为210GPa，泊松比0.3，采用控制变量方法，固定锚杆直径为22mm，间排距为1000mm×1000mm，施加的预应力为70kN。分别对锚杆长度为1.8m、2.0m、2.2m和2.4m四种情况进行了模拟，将四种情况中的数据绘制折线图（如图4所示）。并绘出锚杆长度为2.4m时的塑性区云图及位移云图（如图3所示）。从图3可以看出，施加锚杆后最大竖直位移发生在顶底板，最大水平位移产生于帮部中央。从图4中可以看出锚杆长度越长，巷道变形越小，支护效果越好。
图3 锚杆长度2.4m，顶板下沉与底部鼓起图与帮部收敛图
图4 锚杆长度与变形关系图
2.2锚杆间距数值模拟
固定锚杆直径为22mm，长度为2.4m，施加的预应力为70kN，分别对锚杆间排距为700mm×700mm、800mm×800mm、900mm×900mm和1000mm×1000mm等4种情形进行了模拟，将四种情况中的数据绘制折线图，如图6所示。并绘出锚杆间距为800mm×800mm时的塑性区云图及位移云图，如图5所示。
从图5可以看出，最大竖直位移发生在顶底板，最大水平位移产生于帮部中央。从图6中可以看出锚杆间距越小，巷道变形越小，支护效果越好。
图5 锚杆间距1000mm×1000mm，顶顶板下沉与底部鼓起图与帮部收敛图
图6 锚杆间距与巷道变形
2.3参数选取
为了分析锚杆长度、锚杆间距对最大围岩水平及竖直位移的影响，将模拟的结果绘制成表，分别将不同锚杆长度下的变形量、不同锚杆间距影响下的变形量列于下表中。从表1中可以看出当锚杆长度从1.8m变化至2.4m，顶板最大下沉量从130mm减小到98mm，底板最大底鼓量从48mm减小到37mm，帮部最大变形量在锚杆长度为2.4m时达到最小，建议取锚杆长度为2.4m；从表2中可以看出，随着锚杆间排距的减小，控制效果也逐渐明显。但是锚杆长度从800mm变化至700mm时，变形控制的效果变化不大，所以在保证安全的前提下，推荐锚杆间距选取800mm。
表1 不同锚杆长度时的最大竖直及水平位移
表2 不同锚杆间距的最大竖直及水平位移
所以，应选取锚杆直径为2.4m，锚杆间距为800mm×800mm，这样既能保证控制巷道变形，又可以在一定程度上节省开支。
3技术施工方案
西辅助回风巷断面宽5.5m，净宽5.2m，高4.15m，净高4 m。巷道锚网支护技术优化参数如下：
①采用Φ22mm×2400mm普通螺纹钢锚杆，间距为800mm×800mm；
②钢筋托梁选用直径为14mm圆钢；
③喷射混凝土强度等级C20，厚度150mm；
④网片铁丝网1200mm×4000mm；
图7 辅助风巷道锚网支护示意图
4施工工艺
锚杆施工工艺流程图如图8所示：
图8 锚杆施工工艺流程图
5优化参数后支护效果
（1）施工过程与之前相差不大，施工效率较高，在支护材料增加的情况下，施工的人、机费用与之前没有出入；
（2）优化之后巷道帮部与顶板的砼变形减少，并且未出现开裂现象，经过观察变形在初期快速增长后最终收敛于一个较小值，而且经过观察能维持较长时间。
6结论
在不改变原有支护结构形式的前提下，采用FLAC3D软件对支护参数进行优化，既能直观的表达出支护参数对巷道变形控制的影响，进而实现对巷道围岩支护结构的优化与优化结果的定量评价，又可以在保证安全的前提下对支护参数进行经济优选，为项目节省成本。为解决破碎围岩程度高的巷道支护设计积累了有益经验。
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论文作者:张继伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
标签：巷道论文; 锚杆论文; 围岩论文; 间距论文; 顶板论文; 位移论文; 长度论文; 《基层建设》2019年第26期论文;