采空區下回采巷道支護方案數值模擬研究

岳振輝

(山西柳林聯盛郭家山煤業有限公司， 山西 柳林 033300)

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·試驗研究·

采空區下回采巷道支護方案數值模擬研究

岳振輝

(山西柳林聯盛郭家山煤業有限公司， 山西 柳林 033300)

為了確定采空區下巷道合理的支護方案，以某煤礦為研究對象，采用FLAC數值模擬軟件，通過對不同監測斷面的圍巖應力進行監測，對采空區下回采巷道的圍巖應力進行了數值分析。研究表明，巷道采用錨桿和工字鋼棚聯合支護比單一支護效果更好，能夠明顯降低頂底板位移量，因此，確定了基本支護方案為錨網+工字鋼棚復合支護形式。

采空區；回采巷道；支護形式；FLAC3D

采空區下布置巷道，不可避免地受到采空區圍巖擾動，巷道的圍巖條件和性質不同于傳統的巷道，進而巷道的支護機理和支護方案的確定也不同于傳統的巷道支護。針對該煤礦采空區下如何進行回采巷道布置，結合現場實際情況進行巷道支護設計，采用FLAC3D數值模擬軟件對巷道支護效果進行模擬分析，確保回采巷道的穩定性，實現工作面安全高效回采。

1 工作面概況

該煤礦6203工作面位于井田的西南，所屬煤層為6號煤層下分層，東鄰6204工作面，西鄰6201工作面，依次布置6203工作面運輸巷、切眼和回風巷。工作面埋深為170～220 m.6203工作面運輸巷長578 m，采用錨網、錨索聯合支護。切眼長度約150 m，工作面推進總長度為345 m. 6203回風巷正待掘進。由于歷史開采因素，6203工作面上部存在采空區，與工作面最近間距僅2 ～3 m.遺留采空區造成的煤巖層移動與破壞不利于目前工作面與巷道圍巖的穩定，其中采空區下推進長度213 m，非采空區下推進長度為132 m.6203工作面布置圖見圖1.

圖1 6203工作面布置圖

2 采空區下回采巷道支護機理及支護方案設計

由該煤礦回采巷道的實際狀況可知，采空區下回采巷道區域與采空區之間的距離較近，加上巷道頂板的支護性能下降，因此必須優化采空區下回采巷道支護方案設計。通過對施工區域地質結構的分析，采取錨桿+網+工字鋼棚的支護方式，保障了回采巷道支護結構穩定性的提高。支護方式使用過程中，錨網支護裝置起著主要的支撐作用，其它的支護結構起輔助作用。根據不同構件相互擠壓理論可知，在優化巷道生產區軟弱圍巖抗壓性能的過程中，合理地運用錨桿，可以達到擠壓加固拱的效果，確保破碎圍巖整體的受力均勻性。同時，在錨桿預應力的作用下，可以將受力整體按照圓錐體的分布方式進行合理地設置，促使所有的錨桿發揮作用，進而提高圍巖的抗變形能力。結合圍巖自身的特性，合理地設置組合拱，將會提高圍巖的承載力，優化巷道施工質量，促使巷道圍巖能夠長期處于穩定的工作狀態。錨桿工作原理見圖2.

1—連續壓縮帶 2—錐形體壓縮帶 L—連續壓縮帶寬度 t—錐形體壓縮帶寬度圖2 錨桿工作原理示意圖

距離工作面回風巷約197 m，通過測量，發現巷道上方具有較大的采空區，致使巷道上方頂板支撐下的煤層裂隙逐漸擴大，給回采巷道作業計劃的順利實施帶來了威脅。采取必要的措施對回風巷進行合理的支護設計，需要重點考慮巷道破碎圍巖的特性，提高其整體抗變形能力，阻止圍巖裂隙的繼續擴大，并對寬度較大的圍巖裂隙進行針對性地處理。具體支護方案見圖3，相關的支護參數如下：

圖3 6203工作面支護斷面示意圖

巷頂錨桿采用d18 mm×1 600 mm無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×900 mm，頂部鋪設10#單層菱形金屬網；錨桿間使用鋼筋梯進行組合，鋼筋梯規格為3800 mm×200 mm. 回采側幫采用d18 mm×1 600 mm玻璃鋼錨桿，非回采側幫采用d18 mm×1 600 mm無縱筋螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿間排距為900 mm×900 mm，回采側幫鋪設塑料尼龍網，規格為3 000 mm×1 100 mm；非回采側幫鋪設10#單層菱形金屬網。錨桿支護后架設11#工字鋼棚，棚距1 000 mm.巷道錨桿與工字鋼棚布置好后對巷道表面進行噴漿，噴漿厚度為100 mm.

3 支護分析中數值模擬法的有效使用

當采空區開挖作業計劃完成后，發現既有的圍巖結構穩定性發生了較大的改變，導致其上部結構失穩，出現了巖層垮落的現象，最終填滿了采空區。在開挖6203工作面回風巷時，應充分考慮各方面的影響因素，需要在采空區上層的所有破碎圍巖完成塌落后，執行工作面回風巷的作業計劃。在對采空區下回采巷道支護結構的穩定性進行分析時，利用FLAC3D，進行數值模擬分析，從而對支護結構設置與未設置時監測斷面a、b、c、d、e處應力及相應的位移變化進行分析。具體的數值模擬分析示意圖見圖4.

利用數值模擬分析法，可以對兩種不同支護方案的實際作用效果進行綜合地評估，見圖5.

圖4 數值模擬分析示意圖

圖5 巷道不同位置處支護結構是否設置狀態下應力分布示意圖

1) 采空區下回采巷道未設置支護結構時，通過數值模擬法的有效分析，發現應力相對較大的區域主要集中在巷道兩端的頂部。其中，監測斷面應力峰值相對較大的區域位于b處，其應力峰值為9.2 MPa；通過對監測斷面c處的模擬分析，發現其應力峰值保持在8.6 MPa左右；應力峰值保持在7.7 MPa的監測斷面位于d處；應力峰值相對較小的區域位于a處和e處，大小為7.6 MPa.

2) 采空區下回采巷道設置支護結構后，原先的應力集中區發生了較大的變化。其中，不同監測斷面點的應力峰值下降，整體的應力分布區上移。通過數值模擬分析法的有效使用，發現應力峰值較大的監測斷面位于b處，大小為6.9 MPa；監測斷面c處的應力峰值也發生了變化，約為6.6 MPa；監測斷面d處應力峰值也發生了變化，大小為6.5 MPa；應力峰值相對較小的監測斷面a處和e處，應力大小變為了9.3 MPa.

通過對設置支護結構與未設置支護結構數值模擬的對比分析，發現采用錨桿+網+工字鋼棚的支護方式，不同監測斷面a、b、c、d處的應力峰值發生了變化，分別改變了2.7 MPa、2.3 MPa、2.1 MPa、2.7 MPa.

由于巷道開采計劃的實施，既有的應力狀態隨著開采計劃的推進也在發生著變化，巷道頂板偏離了原來的位置。結合數值模擬法的分析結果可知，合理地設置支護結構后，巷道頂板的抗壓強度提高，底板的偏移量也在減小。通過對不同監測斷面a、b、c、d、e的有效分析，發現頂板及底板位移量移動減少了12 mm、14 mm、11 mm、10 mm、9 mm，位移量變化范圍保持在9～15 mm.巷道支護與未支護結構時頂底板位移變化量見表1.

表1 巷道支護與未支護結構時頂底板位移變化量表 mm

4 結束語

為了保證采空區下回采巷道生產計劃的順利實施，需要結合采空區的實際情況，合理地設置支護結構，制定出可靠的支護措施，錨桿+網+工字鋼棚支護結構，可以減少采空區對回采巷道的影響。為破碎圍巖承載力的提高及抗壓性能的優化提供可靠的保障。同時，結合數值模擬分析法，優化采空區下巷道的設計方案，可以保持圍巖表面的受力均勻性，提高巷道的抗變形能力，最大限度地發揮支護結構的實際作用，增強高巷道結構的穩定性。

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[4] 田伯權.采空區下松軟煤層巷道圍巖穩定性綜合控制技術與應用[J].煤炭技術,2006(9):76-78.

Numerical Simulation Study on Support Schemes of Mining Roadway under Goaf

YUE Zhenhui

In order to determine the reasonable supporting scheme of roadway under goaf, takes a coalmine as the research object and uses FLAC numerical simulation software to monitor the stress of surrounding rock in different monitoring section, and analyzes the surrounding rock stress with numerical method. The results show that the combined support of rock bolt and I-steel shed is much better than the single support, which can obviously reduce the displacement of roof and floor. Therefore, the basic support scheme of bolting net and I-steel shed composite support form is ensured.

Goaf; Mining roadway; Supporting form; FLAC3D

2016-06-07

岳振輝(1975—)，男，山西柳林人，2012年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事煤礦技術管理工作(E-mail)hyzfmkj@sina.com

TD353

A

1672-0652(2016)08-0041-04