★科技创新★特厚破碎煤层巷道支护数值模拟研究孟达1侯志鹰1，2（1中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京海淀区，100083；2大同煤矿集团公司，山西省大同市，037003）进行了分析研究。通过有限差分数值模拟计算（FLAC3. 3），得出了巷道锚杆锚索联合支护科学合理的技术参数。

　　平均厚度（米）柱状6.7灰白色、灰黑色粗砂岩、含砾粗砂岩，节理中等发育，完整性相对较好1.55煤，节理裂隙严重发育。3. 70硅化煤与砂岩互层。1.00灰色中砂岩，坚硬，致密。3.15灰黑色砂质泥岩，层理发育。3.50m硅化煤与火成岩互层，节理裂隙发育。15.95I煤为复杂结构，上部节理较发育，夹石岩性是高磷岩，炭质泥岩等-0.90il高岭质泥岩，较硬，岩芯成碎片状。0. 64灰黑色砂质泥岩，节理发育。1.76灰白色粉砂岩，致密，较硬，存在纵向节理，层理中等发育。7.00灰白色中粗砂岩，砂砾岩。完整性好。3" 5煤层岩性柱状地质概况及煤岩特征概况塔山煤矿位于大同煤田东翼中东部边缘地带，井田面积171km2，井田上部侏罗系煤层己基本采完，下部石岩系地质储量50亿t，可采储量30亿t，井型1500万t，服务年限132年。塔山矿井采用平硐开拓方式，主要大巷布置在35煤层中，辅运大巷采用胶轮车运输。目前开拓石炭系太原组3"5煤层，采深300~ 500m.>5煤层厚度较大，沉积环境不稳定，结构复杂，分岔合并现象多。在井田一、二盘区内煤厚1.63~根据首采区煤层揭露情况，煤层结构复杂，层理发育，层理发育程度由下至上逐渐加。部分煤层上部由煌斑岩火成岩侵入6m左右，桂化变质，使顶板破碎。由于煤层节理发育，在巷道打钻无法取到煤芯，因此用点载荷测试方法获取煤体的抗压1.2煤岩体特征塔山井田石炭系太原组厚度86~厚度88.6m，岩石组成包括砂岩、砂砾岩、泥岩、高岭质泥岩和煌斑岩。

　　顶板为不同岩性薄层互层型复合结构。在火成岩侵入区，直接顶主要为煌斑岩和高岭质泥岩等，在非火成岩侵入区，直接顶主要为高岭质泥岩、炭质泥岩和砂质泥岩等，厚度一般为2~8m.老顶为厚层状中硬以上粗粒石英砂岩和砂砾岩，厚度20m左右。顶板的单向抗压强度一般为31~底板多为泥岩和高岭岩。单向抗压强度一般为10~34MPa.>5煤层岩性描述如所示。煤岩体主要力学参数见表1. 2巷道支护设计思想和方法锚杆支护设计是煤巷锚杆支护成套技术的核心技术，正确的支护形式和合理的支护参数选择是保证煤巷支护经济性和安全性的必要前提。现阶段，锚杆支护设计方法总体分为4类，即工程类比、理论计算、数值模拟和监控设计。

　　位置主要岩性厚度/m单轴抗压强度软化系数抗拉强度/MPa含琢中砂岩老含趟粗砂岩粗砂岩顶粉砂岩中砂岩直砂质泥岩接硅化煤顶火成岩煤层煤饱和抗拉内聚力弹性模量容重内摩擦角/泊松比强度/MPa中国煤炭实践证明，单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，也达不到理想的设计效果。根据我国煤矿特点，采用动态信息设计方法，可以融合工程类比、数值模拟和监控设计方法的优点。设计步骤包括施工地点地质力学调查测试、初始设计、全面矿压监测、信息反馈和验证修正设计等。这种设计方法适合我国煤矿巷道地质生产条件复杂性和多变性的特点，具有较高的科学性、合理性和可靠性。

　　初始设计是动态信息设计方法的核心内容，采用数值模拟方法实现。数值模拟采用有限差分数值计算程序FLAC3 3（FastLagrangianAnalysisofContinua）进行。在详细试验地点调查和地质力学参数评估的基础上，结合丰富的工程实践和设计经验，建立合理的模拟模型，进行多个方案比较，后得出合理的锚杆支护参数。

　　FLAC33是一种国际上广泛用于解决岩土工程和采矿工程问题的二维显式有限差分程序，该程序可模拟岩石和煤层等材料的力学行为。FLAC3 3具有多种优势，特别是在模拟大变形、不连续面和锚杆构件等方面表现突出，是一种适合煤巷锚杆支护设计的数值计算程序。锚杆支护设计3具有快速、经济、可视和可靠等多种优点。

　　3巷道支护数值模拟根据大同煤田塔山矿的基础地质和技术资料，考虑设备尺寸，通风要求和巷道围岩变形，设计1070辅助运输大巷断面形状为拱形，宽度断面为2307m2.下面对1070辅助运输大巷一般地段进行数值模拟。其他巷道的参数设计根据此巷的模拟结果进行调整。

　　31数值模拟模型模拟范围的长和宽分别为80m和90m，横向和纵向网格分别为154个和172个。采用应力边界条件，模型上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面施加随深度变化的水平压应力，模型下表面垂直位移固定。

　　为了真实反映巷道围岩的变形特征，特别是岩石屈服后的力学行为，采用两种力学模型模拟岩层和煤层。一种是应变软化模型，模拟靠近巷道的岩层和煤层，另一种是摩尔-库仑模型，模拟其它范围内的岩层和煤层。采用界面单元模拟岩层中的不连续面，如断层、节理、裂隙、层理和离层等，采用结构单元模拟各种支护构件，锚杆单元是一种一维轴向单元，在一定拉力下屈服，这种单元可以施加预紧力。模拟过程充分考虑了围岩应力、围岩物理力学属性、围岩结构和采动影响对巷道支护效果的影响。锚固方式可以是端锚、加长锚固或全长锚固。模拟模型岩层分布和锚杆支护断面如所示。

　　32数值模拟方案根据巷道具体的地质和技术条件，共建立18个模拟方案，分别模拟了顶板锚杆根数、锚杆直径、锚杆排距、锚杆长度、锚索根数、锚索直径和巷帮锚杆根数对巷道支护效果的影响。数值模拟方案如表2所列。

　　33数值模拟结果分析开挖无支护状态下，巷道围岩位移和破坏状况如所示。巷道顶板产生显著位移，顶板下沉量为362. 9mm，巷帮移近量为380 4mm.部分顶煤发生剪切破坏，破坏深度为4.75m，部分巷帮发生剪切破坏，剪切破坏深度均达3. 5m，两帮均产生拉断区域，拉断破坏深度均达0.75m. 331顶板锚杆根数对支护效果的影响每排8根锚杆时，顶板下沉量为151.2mm，减小了583，巷帮煤体移近量为1360mm，减小了244.4mm，降低了64.2，可见，顶板和两帮的变形得到有效控制。顶板和两帮的剪切破坏范围明显减小，分别为2 0m，分别降低了421和429，两帮的拉断区域完全消失，可见，顶板和两帮的破332锚杆直径对支护效果的影响随着锚杆直径加大，顶板下沉和两帮相对移近量减小，锚杆从18mm到22mm，顶板下沉降低了204.5mm，降低了57.5；直径从22mm到24mm，支护效果变化不明显，所以22mm是合理的锚杆直径。锚杆直径为18mm，巷帮产生拉断区域，拉断破坏深度达0.25m. 333锚杆排距对支护效果的影响0m，顶板下沉量变化不大。排距从1.0m加大到1.2m，顶板下沉量加了2030mm，加了57.3，顶板和巷帮均产生拉断区域，拉断破坏深度分别达0. 05m，对顶板的支护效果明显削弱。因此，1.0m是合理的排距。

　　334锚杆长度对支护效果的影响6m时，顶板下沉量比30m时大，其中锚杆长度1.8m时下沉量加了1984mm，加了568.由于巷道上部为11. 5m左右厚的顶煤，而且比较破碎，因此锚杆长度不能太小所以3.0m是安全合理的锚杆长度。

　　335锚索根数对支护效果的影响当顶板没有锚索时，巷道顶板下沉量加了2049mm，加了575，变化非常明显，严重威胁着顶板的安全，所以采用锚索支护的作用十分方案序号影响因素顶板锚杆根数锚杆直径锚杆排距锚杆长度锚索根数锚索直径巷帮锚杆根数开挖无支护顶板锚杆数锚杆直径锚杆排距锚杆长度锚索根数锚索直径巷帮锚杆数塔山1070辅期运巷itt-9个铺杆中国煤炭第32：336锚索直径对支护效果的影响当顶板锚索直径为15mm时，巷道顶板下沉量比直径为18mm时增加了204.7mm，增加了575，变化非常明显，巷帮产生拉断区域，拉断破坏深度达025m，高强锚索的作用十分明显。

　　337锚索长度对支护效果的影响为了使锚索伸入到围岩深部，利用深部围岩强度来悬吊破碎顶煤，提高锚固性能，并结合围岩结构观测结果、施工上的可操作性，选取10. 3m的锚索比较合理。

　　338巷帮锚杆根数对支护效果的影响当巷帮安装1根锚杆时煤帮变形明显，破坏范围很大。煤帮锚杆增加到3根后，煤帮变形和破坏得到有效控制，因此，每帮3根锚杆比较合理。

　　因此，米用8根直径22mm、长3m、锚杆排距1.0m锚杆，配合合理的锚索（下转第39页）放出的影响主要是随煤层倾角的大，沿底座滑区减小，煤岩破坏逐渐沿煤层向上发展。当煤层倾角大于60~ 65°，水平分段高度小于25m时，顶板变形量己经很小，一般不足以引起顶板的破坏，此时，沿煤层方向成为煤岩破坏的主方向。由于急斜特厚煤层开采形成的是大体积的采空区，当破坏到达地表时引起的地表损害范围虽然较小，但造成的塌陷坑却很深，形成深槽塌陷坑特征。

　　影响老顶变形因素曲线4结论3急斜特厚煤层开采地表覆盖层破坏特点及控制急斜特厚煤层水平分段放顶煤开采，煤岩以拱壳形式主要向煤层上方发展破坏，沿工作面推进方向拱壳周期性失稳。尤其是对于像乌鲁木齐矿区煤层倾角为70~80°，特厚煤层顶板中有厚十几米以上的老顶，隔阻了破坏向顶板方向的发展。因此，地表覆盖层破坏与缓斜煤层不同，呈不连续地表塌陷，沿工作面推进方向在一定范围内塌陷坑呈串珠状分布，塌陷坑很深，波及的范围却很小。如乌鲁木齐市区东地表上形成的两条黑色串珠状槽形塌陷坑，就是开采南北大槽两层急斜特厚煤层造成的。

　　开采时及时充填采空区控制顶板，阻隔破坏向顶板方向发展。因此，深槽塌陷坑就可通过充填和碾压，构筑“临时绿化带”，恢复地质环境，在老顶上方稳定区域可构筑“绿化带”和建筑物，为城市所利用。若干年后下一分段或水平开采时，只要保证自上而下的充填是及时的，破坏的影响范围是有限的，依靠资源补偿费，再构筑“临时绿化带”，急斜特厚煤层开采的地表就完全可能是一片绿色的秀美的山川。

　　急斜特厚煤层开采引起的围岩破坏是向煤层上方和顶板发展的，在煤层倾角大于60~65°，水平分段高度小于25m时，破坏主要是沿煤层方向向上发展的。

　　开采过程顶煤和围岩的破坏过程大致可分为4个区，沿底座滑区和顶板离层破坏区决定了地表损害特点和范围。

　　开采引起的地表覆盖层破坏与缓斜煤层不同，在走向方向一定范围内呈串珠状分布，深槽塌陷坑可通过充填和碾压进行处理。