大采高小煤柱回采巷道支護設計數值模擬研究

楊金貴

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西　太原　030052)

·試驗研究·

大采高小煤柱回采巷道支護設計數值模擬研究

楊金貴

(西山煤電股份有限公司 西銘礦，山西太原030052)

摘要通過優化大采高小煤柱回采巷道的支護方案，可以改善巷道圍巖的應力分布，減小巷道圍巖的變形，使巷道圍巖保持穩定狀態，實現建設高產高效礦井的目的。本文以王莊煤礦3045工作面為工程背景，通過數值模擬的研究方法選擇5個因素，4個水平進行正交試驗，對各支護方案進行比選研究，確定了大采高小煤柱回采巷道的合理支護方案，經現場觀測取得了較好的經濟技術效果。

關鍵詞大采高；小煤柱；回采巷道；數值模擬；支護

山西三元煤業股份有限公司王莊煤礦3號煤層大采高綜采工作面通過留設區段小煤柱進行護巷，由于在巷道掘進期間位于采空區一側的巷道圍巖變形破壞嚴重，甚至某些區域的錨桿托盤出現了壓裂損壞并導致錨桿失去錨固作用的現象，因此，需要在原支護的基礎上對巷道圍巖進行二次加固。尤其是在工作面回采階段，巷道圍巖由于受到采動影響而產生嚴重的變形，因此，還需要多次進行巷道的擴幫和起底作業。此外回采巷道承擔著運輸、行人、通風等重要作用，還應采取技術措施使巷道在服務期間維持在穩定狀態。

本文以王莊煤礦3045工作面回風巷為工程背景，采用數值模擬的方法，對大采高小煤柱回采巷道支護設計進行研究。

13045工作面概況

山西三元煤業股份有限公司王莊煤礦3045工作面位于井田東部，其北部同304采區相鄰，其南部同舊礦的采空區相鄰，其東部與井田邊界相鄰，其西部與3043工作面采空區相鄰。3045工作面位置示意圖見圖1.

圖1　3045工作面位置示意圖

3045工作面采用大采高一次采全厚綜合機械化開采技術對3號煤層進行開采，采用全部垮落法對頂板進行管理，工作面長度為260 m，工作面推進長度為1 710 m，最大和最小控頂距分別為5.53 m和4.73 m，工作面循環進度為0.8 m，并且采用四六制作業。

3045工作面3號煤層平均厚度為5.0 m，傾角為2°～7°，并且含有0～1層夾矸，煤層結構簡單。3045工作面直接頂主要為泥巖和砂質泥巖，巖體的強度比較低；基本頂主要為細砂巖和粉砂巖，巖體的強度比較高；直接底主要為泥巖和砂質泥巖，巖體的強度比較低；基本底主要為細砂巖和粉砂巖，巖體的強度比較高。3號煤層頂底板巖層物理力學參數統計見表1.

表1　3號煤層頂底板巖層物理力學參數統計表

2數值模擬支護方案的設計

綜合考慮影響大采高小煤柱回采巷道圍巖變形破壞的各個支護參數以及每個參數的各個水平，并運用正交試驗方法制定支護方案，通過數值模擬試驗取得最優的試驗結果[1-3].

錨桿支護主要包括每排錨桿個數、錨桿直徑、錨桿長度、錨桿排距、錨索個數等5個因素，分別取頂板、底板、煤柱幫、實體煤幫等4個水平。本次相似模擬試驗研究共選擇了5個因素、4個水平進行正交試驗，正交試驗的具體方案見表2[4-5].

表2　正交試驗的具體方案表

通過對表2中的16個數值模擬方案條件下回采巷道的頂板下沉量、底板底鼓量和兩幫移近量等試驗結果進行對比分析，研究得出錨桿支護的合理參數[6].

掘巷期間數值模擬試驗結果統計情況見表3.

表3　掘巷期間數值模擬結果統計情況表

采用直觀分析法對本次數值模擬試驗結果進行分析，通過計算各個因素的平均極差來分析選取不同的水平對該所選擇因素的影響程度。

根據表3計算得出掘巷期間回采巷道的頂板下沉量、底板底鼓量、實體煤幫變形量以及煤柱幫變形量的各個因素、各個水平的均值和極差的結果統計，見表4～7.

表4　頂板下沉量直觀分析結果統計表

表5　底板底鼓量直觀分析結果統計表

表6　實體煤幫變形量直觀分析結果統計表

表7　煤柱幫變形量直觀分析結果統計表

根據表4～7繪制得到掘巷期間各個因素對回采巷道變形量影響的直觀分析圖，見圖2～6.

圖2　錨桿根數對巷道變形的影響示意圖

圖3　錨桿排距對巷道變形的影響示意圖

圖4　錨桿直徑對巷道變形的影響示意圖

圖5　錨桿長度對巷道變形的影響示意圖

圖6　錨索根數對巷道變形的影響示意圖

根據對圖2～6掘巷期間大采高小煤柱回采巷道的數值模擬結果分析可以得出：

1) 錨桿根數對回采巷道支護效果的影響。

回采巷道圍巖的完整性隨著每排錨桿根數的增多而越好，而巷道圍巖變形量則隨之呈現出逐漸減小的趨勢。根據圖2的數值模擬結果并綜合考慮王莊煤礦的實際工程地質條件，確定每排頂板錨桿根數為6根，每排單側幫錨桿根數為5根較合理。

2) 錨桿排距對回采巷道支護效果的影響。

回采巷道頂板下沉量、底板底鼓量與兩幫變形量均隨著錨桿排距的增大而呈現出迅速增大的趨勢。根據圖3的數值模擬結果并綜合考慮王莊煤礦的實際工程地質條件，確定錨桿排距為900 mm較合理。

3) 錨桿直徑對回采巷道支護效果的影響。

回采巷道頂板下沉量、底板底鼓量與兩幫變形量均隨著錨桿直徑的增大而呈現出逐漸減小的趨勢。根據圖4的數值模擬結果并綜合考慮王莊煤礦的實際工程地質條件，確定采用d22 mm的高強左旋螺紋鋼筋較合理。

4) 錨桿長度對回采巷道支護效果的影響。

回采巷道頂板下沉量、底板底鼓量與兩幫變形量均隨著錨桿長度的增加而呈現出逐漸減小的趨勢。根據圖5的數值模擬結果并綜合考慮王莊煤礦的實際工程地質條件，確定采用錨桿長度為2 400 mm較合理。

5) 錨索根數對回采巷道支護效果的影響。

數值模擬結果表明，是否在回采巷道頂板布置錨索會對回采巷道圍巖變形產生很大的影響，回采巷道頂板下沉量、底板底鼓量與兩幫變形量在回采巷道頂板沒有布置錨索的條件將會顯著增大。根據圖6的數值模擬結果并綜合考慮王莊煤礦的實際工程地質條件，確定在回采巷道頂板采用每隔1排錨桿布置2根錨索較合理。

3結論

根據數值模擬結果并綜合考慮王莊煤礦的實際工程地質條件，確定每排頂板錨桿根數為6根，每排單側幫錨桿根數為5根；錨桿排距為900 mm；采用d22 mm的高強左旋螺紋鋼筋；錨桿長度為2 400 mm；在回采巷道頂板采用每隔1排錨桿布置2根錨索。綜合采用“錨桿+鋼筋梯子梁+金屬網+錨索+噴射混凝土+滯后注漿加固煤柱”的聯合加固支護方案對大采高小煤柱回采巷道進行支護。根據現場觀測，取得了較好的經濟技術效果，實現了礦井的安全高效生產。

參考文獻

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Numerical Simulation Research on the Supporting Design of Extraction Roadway with Large Mining Height and Small Coal Pillar

YANG Jingui

AbstractThrough optimizing the supporting scheme of large mining height and small coal pillar mining roadway, can improve the stress distribution of roadway surrounding rock, reduce the deformation of roadway surrounding rock, the wall rock of tunnel can remain in a stable condition, so as to achieve the purpose of construction of high yield and high efficiency coal mine. In this paper takes 3045 working face of Wangzhuang coal mine as engineering background, through numerical simulation research methods choose five factors, four levels carry out orthogonal test. Various supporting schemes are compared, selected and study. The rational support scheme of large mining height and small coal pillar mining roadway is determined. Good economic and technical effects are achieved by field observation.

Key wordsLarge mining height; Small coal pillar; Extraction roadway; Numerical simulation; Supporting

中圖分類號：TD355

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)12-0004-04

作者簡介：楊金貴(1965—)，男，山西太原人，1999年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事煤礦生產管理工作(E-mail)307358717@qq.com

收稿日期：2015-10-24