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巷道高应力区U型钢支护技术研究

周 营

(窑街煤电集团天祝煤业有限责任公司，甘肃省武威市，733211)

摘 要 针对宏阳煤矿巷道高应力区实际地质条件，在原有普通U型钢支护方案的基础上提出U型顶棚加上横梁支护、U型顶棚加上下横梁支护和U型顶棚加上横梁和两侧纵撑支护3种新的支护方案；在有限元软件FLAC3D中建立了数值模拟模型，分别模拟了原有支护方案在内的4种支护方案的巷道围岩位移分布和最大、最小主应力分布等参数，并在巷道两帮布置测点得到巷道两帮位移曲线；分析结果表明：U型顶棚加上横梁和两侧纵撑支护为最优支护方案。在该方案实施期间，矿井巷道的顶板下沉量与两帮移近量大大减小，其中，顶板最大下沉量与两帮最大移近量分别为66 mm和21 mm，围岩稳定性得到有效控制。

关键词 高应力区 U型钢 围岩稳定性 数值模拟 支护方案

中图分类号 TD353

文献标识码 A

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引用格式：周营.巷道高应力区U型钢支护技术研究[J].中国煤炭，2020,46(5)：104-108.

Zhou Ying.Research on U-shaped steel support technology in roadway high stress area[J].China Coal, 2020, 46(5):104-108.

Research on U-shaped steel support technology in roadway high stress area

Zhou Ying

(Yaojie Coal and Electricity Group Tianzhu Coal Industry Co., Ltd., Wuwei, Gansu 733211, China)

Abstract Aiming at the actual geological conditions of roadway high stress area of Hongyang Coal Mine, on the basis of the original ordinary U-shaped steel support scheme, three new support schemes were put forward, including U-shaped cap with beam support, U-shaped cap with lower beam support and U-shaped cap with beams and double longitudinal bracing, and a numerical simulation model was established in the FLAC 3D finite element software to simulate the displacement distribution of roadway surrounding rock, maximum and minimum principal stress distribution and other parameters of four support schemes including the original support scheme, and the displacement curves of the two roadway sides were obtained by arranging measurement points on both sides of roadway.The analysis results showed that the scheme of U-shaped cap with beams and double longitudinal bracing was optimal.During the implementation of the scheme, the maximum roof convergence amount and the maximum movement amount of two roadway sides were 66 mm and 21 mm respectively, the stability of surrounding rock was effectively controlled.

Key words high stress area, U-shaped steel, stability of surrounding rock, numerical simulation, support scheme

高应力巷道的支护问题一直以来都受到人们的重视，采用U型钢支护高应力巷道具有其独特的优势[1-2]。当巷道大范围来压时采用U型钢支护的巷道破坏模式为塑性破坏，可避免脆性破坏导致的顶板瞬间垮落等突发事故，特别是在软岩巷道中，锚杆的锚固性不良的情况下，U型钢支护可作为其他支护手段的替代方案，具有广泛的应用范围[3-4]。采用回填技术的U型钢支护不仅已成功应用于深部软岩巷道支护问题，而且还可用于支撑破碎的围岩[3-5]。结合宏阳煤矿回采工作面巷道具体地质条件，在原有U型支护方案的基础上提出3种新的支护方案，并在有限元模拟软件FLAC3D中建立了有限元模型，对4种支护方案进行了模拟分析，经过比较，确定了合理的巷道支护方案，为矿井安全生产提供了科学依据。

1 工作面概况及支护方案设计

宏阳煤矿位于山东省济宁市嘉祥县老僧堂镇境内，井田内可采及局部可采煤层共4层，分别为煤层，矿区面积37.36 km2，采用立井开拓。为了研究U型钢对巷道支护的效果，采用宏阳煤矿工作面巷道为地质模型，开展数值模拟研究。工作面围岩地质条件简单，岩层倾角较小，为缓倾斜岩层，平均倾角12°，岩层具体的参数如表1所示。根据矿井已有地应力的测试结果，垂向地应力为12.5625 MPa，水平地应力σz为8.375 MPa，属于高应力矿井。

根据该工作面巷道的地应力以及运输、行人、通风等实际情况，并参照煤岩巷道设计手册，在原有支护方案的基础上，另提出3种新的支护方案，原方案为普通U型棚支护，方案一为U型顶棚加上横梁支护，方案二为U型顶棚加上下横梁支护，方案三为U型顶棚加上横梁和两侧纵撑支护。

表1 巷道顶底板岩性参数

层位岩性厚度/m切应力σc/MPa剪应力σt/MPa弹性模量E/MPa泊松比μ基本顶中粒砂岩8.81055.4415000.22直接顶砂质泥岩2.263.73.7293000.2伪顶泥岩0.2433.2167000.326#煤层煤4.8352.9206000.27直接底砂质泥岩1.663.73.7293000.2基本底砂岩3285.35.4360000.25

2 数值模型的建立

建立宽度、高度尺寸均为70 m的有限元模型，为了减少边界效应的影响，开挖巷道建立在模型中部位置，有限元模型的边界条件为：左边界采用水平位移约束，右边界同样采用水平位移约束，下边界采用固定约束，上边界为自由边界，模型的力学分析采用摩尔-库仑准则，采用2节点梁单元来模拟可缩性支架和U型钢棚，模拟时采用的垂直与水平主应力均与围岩实际应力大小一致，根据实际情况，侧压力系数取值为1.5。

3 高应力巷道U型钢支护的稳定性数值模拟

3.1 巷道位移分布特征分析

煤岩巷道位移量可用来衡量巷道变形情况及巷道围岩的稳定性，我国相关标准规定在矿山井下巷道中，应定期测量巷道围岩位移量，以判断巷道稳定性，预防可能出现的冒顶、片帮等巷道围岩事故，在高应力煤岩巷道中该项指标更为重要。各支护方案巷道围岩位移分布云图如图1所示。

图1 各支护方案巷道围岩位移分布云图

从图1中可以看出，4种支护方案巷道顶部与两帮位移均较大，底板位移较小；原方案最大位移发生在巷道U型棚顶梁和柱腿交界处，位移量达到了450 mm，方案一最大位移发生柱脚处，巷道位移量达到了300 mm，说明采用上横梁可有效减少围岩上部位移量；方案二最大位移发生在柱脚稍靠上部分，位移量达到了170 mm，说明采用上、下横梁可减小巷道上部和下部位移量；方案三最大位移发生在巷道底板中部位置处，位移量最大值达到50 mm左右。综合以上分析可知，采用原支护方案和其他3种支护方案的巷道围岩变形量从大到小依次为：原方案>方案一>方案二>方案三，因此从巷道位移云图方面考虑，采用方案三最优。

3.2 最大、最小主应力分布特征分析

在巷道支护方案选择中，巷道围岩应力重新分布是导致巷道围岩变形的主要原因之一，同时应力重新分布又可和围岩塑性区范围相互印证，而最大主应力σ1、最小主应力σ3可充分反应巷道围岩应力重新分布情况，为了解和对比4种支护方案的应力分布情况，以便从应力分布角度选择出最优的支护方案，对不同方案的最大、最小主应力进行了模拟分析。各支护方案巷道围岩应力分布图见图2。

图2 各方案围岩应力分布云图

由图2可知，在各个方案中，巷道表面由于塑性变形出现了应力降低区，在巷道的个别地方也出现了应力集中区，到巷道深部又出现应力降低，达到原始围岩应力状态。原方案和方案二的应力增高区域距离巷道围岩表面较远，说明围岩表面松动圈范围较大，肩部和底角的应力集中程度非常明显，其他2个方案应力集中范围较小，尤其是方案三应力分布范围最小，高应力值距离巷道表面更近。

3.4 巷道两帮位移分布特征分析

为了更加清楚地得到巷道两帮围岩点的位移，在巷道两帮10 m范围布置了测线，如图3所示。不同支护方案得到的巷道两帮测线上距离巷道不同位置点的变形大小如图4所示。

图3 测线布置图

从图4中可以看出，采用原支护方案，巷道两帮最大位移为0.14 m，且其围岩位移范围在达到了距两帮表面11 m的围岩处，方案一巷道两帮最大位移量为0.09 m，相比原方案位移量减小了35%，方案二巷道两帮最大位移量为0.045 m，相比原方案位移量减小了67%，方案三巷道两帮最大位移量为0.017 m，相比原方案位移量减小了87%，且方案一、方案二、方案三围岩位移范围为10 m，均小于原支护方案，从以上分析可知，从巷道两帮位移量数据层次考虑，支护方案三为最优方案。

图4 不同支护方案巷道两帮位移量

4 应用效果

在宏阳煤矿生产期间，采用U型顶棚加上横梁和两侧纵撑支护方案对巷道进行维护，为检验支护效果，在巷道内布置了1组表面变形测点, 监控围岩变形情况。围岩变形监测结果如图5所示。

图5 围岩变形监测结果

在为期120 d的连续监测过程中，宏阳煤矿巷道的顶板下沉量与两帮移近量大大减小，其中，顶板最大下沉量与两帮最大移近量分别为66 mm和21 mm，符合煤矿安全生产要求，采用U型顶棚加上横梁和两侧纵撑支护工艺对巷道进行维护，能够有效控制围岩体的变形情况，保证巷道的稳定性。

5 结论

(1)在巷道高应力区采用U型钢支护方案的基础上，结合工程实际，提出3种新的支护方案，其中，方案一为U型顶棚加上横梁支护，方案二为U型顶棚加上下横梁支护，方案三为U型顶棚加上横梁和两侧纵撑支护。新提出的支护方案以施工简便、支护效果好为原则。

(2)根据巷道围岩实际地质条件，在FLAC3D中建立了巷道围岩高应力区U型棚支护的数值模型，并确定了合适的边界条件。

(3)采用有限元模拟软件FLAC3D对巷道高应力U型钢支护方案进行了模拟分析，共分析了原支护方案和3种其他的支护方案；得到了4种支护方案的巷道围岩位移云图、最大及最小主应力分布图以及巷道两帮位移曲线等支护参数，综合以上几方面分析，确定支护方案三为最优方案，即通过U型顶棚加上横梁和两侧纵撑支护能取得较好的支护效果。

(4)在宏阳煤矿生产期间，采用U型顶棚加上横梁和两侧纵撑支护方案对巷道进行维护，在为期120 d的连续监测过程中，宏阳煤矿巷道的顶板下沉量与两帮移近量大大减小，其中，顶板最大下沉量与两帮最大移近量分别为66 mm和21 mm，有效控制了巷道围岩变形情况，确保了安全生产。

参考文献：

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[5] 张晓更，吴瀚.桃园矿七2#煤风巷沿空掘进全封闭 U型支架的实践[J].矿业安全与环保，2006，33 (4) : 49-53.

作者简介：周营(1984-)，汉族，河南驻马店人，本科学历，工程师，现任职于窑街煤电集团天祝煤业有限责任公司。E-mail:1251532655@qq.com。

(责任编辑 郭东芝)