楊 軍

（同煤集團(tuán)四臺礦機(jī)掘二隊， 山西 大同 037007）

隨著我國采煤技術(shù)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(zhì)環(huán)境變得越來越復(fù)雜。由于受到復(fù)雜巷道應(yīng)力場及采掘擾動應(yīng)力場的影響，巷道采掘進(jìn)后處于塑性大變形階段，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜時，若采用常規(guī)支護(hù)設(shè)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(hù)設(shè)計主要依賴提高錨桿剛度、強(qiáng)度及增加支護(hù)錨桿數(shù)量等方式，而往往對護(hù)表強(qiáng)度不夠重視，這就造成了高成本支護(hù)后還會發(fā)生頂板冒落等情況[1]。

金屬網(wǎng)作為巷道護(hù)表常見于各種巷道的支護(hù)方案中，但是常常出現(xiàn)金屬網(wǎng)破裂、巷道頂部垮落等情況，其主要原因是該支護(hù)方案設(shè)計過程中只是將金屬網(wǎng)作為功能性配件，而未將錨桿和網(wǎng)進(jìn)行強(qiáng)度耦合分析，造成了金屬網(wǎng)未達(dá)到提高支護(hù)強(qiáng)度的目的[2]。

本文對同煤集團(tuán)某礦進(jìn)行研究，該礦工作面在進(jìn)入采空區(qū)后變形劇烈，巷道頂板靠近采空區(qū)側(cè)下沉明顯，煤柱側(cè)顯著破裂，巷道兩幫和底鼓嚴(yán)重。因此，該礦工作面采用錨桿、網(wǎng)耦合支護(hù)。

1 錨桿、網(wǎng)耦合支護(hù)機(jī)理

在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的巷道支護(hù)設(shè)計時，多種支護(hù)方式并不能只是簡單的疊加，而需對各種支護(hù)方式進(jìn)行充分研究，優(yōu)化支護(hù)機(jī)理。通過各支護(hù)方式的機(jī)理耦合，達(dá)到各支護(hù)方式的優(yōu)勢互補(bǔ)以提高圍巖的穩(wěn)定性[3]。

金屬網(wǎng)與錨桿的耦合支護(hù)，主要是利用網(wǎng)的低強(qiáng)度面支護(hù)與錨桿的高強(qiáng)度點(diǎn)支護(hù)相結(jié)合，在錨桿作用不到的圍巖部分，金屬網(wǎng)能提供足夠的承載力。

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

圖1 護(hù)表網(wǎng)兜示意圖

護(hù)表網(wǎng)參數(shù)包括金屬絲直徑D、金屬材料強(qiáng)度σ、金屬網(wǎng)長度L、網(wǎng)寬B、金屬網(wǎng)目數(shù)及網(wǎng)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(wǎng)絲進(jìn)行分析，根據(jù)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(wǎng)兜下沉量。

由上式可以看出，網(wǎng)兜下沉量與網(wǎng)格尺寸成正比，其比例系數(shù)為tanβ。根據(jù)材料力學(xué)，

式中：σ 為金屬絲拉應(yīng)力；S為金屬絲橫截面積；E為彈性模量。

因此，提升護(hù)表網(wǎng)金屬絲橫截面及其彈性模量可有效減小圍巖網(wǎng)兜下沉量，提高金屬網(wǎng)護(hù)表能力。

護(hù)表網(wǎng)有效提供圍巖護(hù)表能力的判定依據(jù)為網(wǎng)片承受載荷大于破碎圍巖對護(hù)表網(wǎng)所施加的載荷，此時護(hù)表網(wǎng)可與錨桿達(dá)到耦合支護(hù)狀態(tài)，兩種支護(hù)手段均發(fā)揮其支護(hù)作用。因此，錨桿間排距的選擇可直接影響是否達(dá)到強(qiáng)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(jìn)風(fēng)巷數(shù)值分析研究

根據(jù)該工作面進(jìn)風(fēng)巷工程地質(zhì)條件及其巷道環(huán)境參數(shù)，采用FLAC3D 軟件對進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)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(jìn)風(fēng)巷分析模型

對模型分別采用如下兩種方案進(jìn)行支護(hù)：

1）方案一。錨桿支護(hù)，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(wǎng)耦合支護(hù)，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(wǎng)為60 mm×80 mm，直徑4 mm 鐵絲網(wǎng)。

分別將上述兩種方案設(shè)置為模型約束條件，并對模型進(jìn)行仿真分析。得到如圖3 仿真結(jié)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(dú)支護(hù)條件下，巷道四角塑性區(qū)較大，采用方案二錨桿與菱形網(wǎng)耦合支護(hù)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(wǎng)耦合支護(hù)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(yīng)力進(jìn)行進(jìn)一步仿真，得到如圖4所示。

圖4 巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

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

3 結(jié)論

通過對錨桿與金屬網(wǎng)耦合機(jī)理分析及巷道支護(hù)仿真，得到如下結(jié)論：

1）對金屬網(wǎng)作為護(hù)表網(wǎng)在巷道支護(hù)中的作用進(jìn)行分析，得到金屬網(wǎng)可與錨桿進(jìn)行強(qiáng)度耦合，提高巷道支護(hù)能力。

2）建立了金屬網(wǎng)絲對破碎圍巖的受力模型，并對模型進(jìn)行分析，得到金屬網(wǎng)參與耦合支護(hù)的判定依據(jù)，并給出金屬網(wǎng)參數(shù)選擇方法。

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

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