郭雄强
(同煤集团四台矿，山西 大同 037001)
引 言近年来，随着矿井厚煤层资源的日渐枯竭及煤炭开采技术的不断提高，人们越来越重视薄煤层和中厚煤层的采掘，在此类煤层的采掘过程中，由于煤层厚度低于巷道高度，形成了半煤岩巷道。目前，半煤岩巷道掘进过程中主要存在巷道成型差、围岩超欠挖严重、掘进速度慢及水对岩层的软化导致巷道支护不稳定等问题，为保证煤矿安全生产及半煤岩巷道的快速掘进，因此，半煤岩巷道的支护问题研究有重要意义[1]。目前，半煤岩巷道支护技术的关键在于如何运用高强锚杆、锚索支护，在实现巷道快速高效施工的同时，满足矿井安全生产的要求。
本文对同煤某矿煤层进行研究，该煤层埋藏相对较深，平均煤层厚度1.5 m，煤层顶板为细砂岩，底板多为粉砂岩或石灰岩，根据该煤层地质实测数据及地理水文条件，对半煤岩巷道支护方案进行研究。
1 破坏规律分析在掘进过程中，巷道围岩由于形成环境和地质等原因，会形成明显的层状特征，从而造成了煤层厚度、岩体强度有所不同。而煤层厚度的不同会形成全煤巷、半煤岩巷和全岩巷。下面针对该煤层半煤岩巷道进行力学分析。
该煤层的半煤岩巷道截面为矩形截面，高度2.5 m，宽度4.8 m，煤层厚度1.3 m，巷道沿顶掘进。由于煤层强度低，可将其结构视为两帮部上层弱结构模型，其结构模型如图1所示。
图1 半煤岩巷道力学模型
图1中，hr为弱结构煤层厚度，取值1.3 m；h为巷道高度，取值2.5 m；b为半煤岩巷道宽度，取值4.8 m；P为垂直主应力，MPa。
其垂直主应力及侧压系数分别通过公式(1)或公式(3)得到。
P=γH
(1)
λmax=150/H+1.4
(2)
λmin=108/H+0.5
(3)
式中，γ为上覆岩层体积力,N/m2；H为巷道埋深，m。
随着巷道的掘进，周围岩层及煤层的原始应力分布被破坏，巷道截面直角处出现应力集中，可能导致巷道的变形甚至破坏巷道[2]。在帮弱结构巷道模型中，由于煤层弱结构的存在，导致煤层部分变形大于岩层变形，在顶板重力的作用下，煤层弱结构变形加剧，产生剪力破坏，从而导致巷道两侧内移，导致巷道失稳，当剪力破坏大于顶板抗剪强度时，顶板岩层断裂。
Mohr-Coulomb 准则能较准确表达岩体抗剪力学特性，因此采用Mohr-Coulomb 准则和拉伸破坏准则对巷道破坏进行分析[3]，
Mohr-Coulomb 准则，见式(4)。
τ=σntanφ+C≥Rs
(4)
式中，τ为围岩剪应力，MPa；σn为围岩正应力，MPa；φ为围岩内摩擦角，()；Rs为围岩抗剪强度，MPa。
为方便计算，令σs=(Rs-C)cotφ，则式(4)可表示为：σn≥σs。
拉伸破坏准则：-σn≥Rt(σn<0)，Rt为围岩抗拉强度，MPa。
由某矿7#煤层7302工作面半煤岩巷道地质条件参数及巷道截面参数计算可知，巷道两帮煤层弱结构处σs远小于下部岩层的σs。因此，巷道形变将从煤层弱结构处开始，随着煤层弱结构对顶板的支撑力下降，将导致巷道整体变形。
2 支护方案设计及优化由上述分析得到的半煤岩巷道变形规律可知，巷道形变随埋深增加而增大，同时，由于煤层弱结构的存在，巷道形变从弱结构开始，向顶部延伸，导致整个巷道的变形[4]。因此在半煤岩巷道支护设计时，应考虑埋深、煤层弱结构不对称及煤岩比例等因素的影响，对巷道采用锚杆加锚索的方式进行支护，初步方案设计如下：
半煤岩巷道以锚网索支护为主，在顶板及煤柱采用高强度螺纹钢锚杆，回采帮采用玻璃钢锚杆，选用12#铁丝编制网护顶护帮。
将上述支护方案及巷道模型在FLAC3D软件中进行参数化建模。对锚杆间距进行变量设置，两帮锚杆间距及排距固定，锚索垂直于顶板并对称分布，建立如下两种方案：
方案1：顶板锚杆排距80 cm×80 cm，锚索排距 150 cm×350 cm；
方案 2：顶板锚杆排距 110 cm×110 cm，锚索排距 230 cm×350 cm。
方案布置图如图2所示。
将上述方案进行数值建模，模型为80 m×80 m×80 m，半煤岩巷道截面为矩形，尺寸为4.8 m×2.5 m，模型左右边界水平约束，底部为水平及垂直约束，顶板为应力界面，锚杆间距为变量，将工作面煤岩体物理力学性质输入模型，侧压系数取平均值[5]，得到模型图如图3所示。
图2 支护方案布置图(mm)
图3 数值仿真模型图
对两种支护方案下半煤岩巷道围岩应力进行仿真分析，得到仿真云图如图4所示。
图4 两种支护方案围岩垂直应力分布图
由图4可以看出，不同排距支护条件下，围岩垂直应力分布相似，均在两帮与底板处形成应力集中区，最大应力值分别为9.14 MPa和9.43 MPa。两种支护方案均使岩体得到加强，提高了半煤岩巷的围岩承载能力。
参照该工作面岩体力学参数可知，方案2所得应力值可满足Mohr-Coulomb 准则要求，同时增大锚杆间排距可有效减少锚杆数量，节约成本。
根据上述分析可以得到锚杆间排距变化对围岩应力的影响，同时可增加间排距变量参数，进行支护方案的优化分析。
3 结论本文通过对半煤岩巷道的破坏规律及其数值模型分析可以得到如下结论:
1) 采用半煤岩巷道矩形截面的力学模型，对巷道力学参数进行分析，得到半煤岩巷道主要破坏形式为剪切破坏；
2) 通过对破坏准则及力学模型进行分析，得到巷道埋深、煤层弱结构比例对半煤岩巷道结构强度均有重要影响；
3) 运用数值模型仿真方法，建立两种支护方案，通过对两种方案仿真及结果分析得到锚杆间排距为110 cm×110 cm支护为较优方案；
4) 根据数值分析方法可进一步增加锚杆间排距变量，分别得到各工况下围岩应力及其形变规律，从而得到最优支护方案。
