大斷面回采巷道支護形式及數值模擬研究

曹 耿

（山西焦煤集團正興煤業有限公司，山西 忻州 036400）

為了保證正興煤礦13103工作面大斷面回采巷道穩定性，避免工業性試驗的浪費，根據試驗巷道圍巖所處的力學環境及煤體力學特征，利用FLAC3D數值模擬軟件科學的劃分支護區，合理確定支護方案與支護參數，保證巷道的安全。為其他類似礦井大斷面大采高回采巷道支護提供有力的設計依據[1-5]。

1 工程概況

山西焦煤集團正興煤礦13號煤層位于太原組一段上部或頂部、毗鄰太原組二段底部砂巖（S2）處，與下伏14號煤層相距最小1.0m，一般為2.0～5.0m，為本井田可采煤層，其中煤層厚度為9.97～17.44m，平均厚度為14.54m，穩定可采，煤層結構較簡單，夾矸2～3層，厚0.02～0.20m，呈條帶狀產出。13號煤層偽頂和直接頂板為炭質頁巖,基本頂為太原組二段底部砂巖，底板為炭質頁巖。井田內13號煤層覆蓋較淺，井田西南部被剝蝕，并存在風氧化現象；井田東北部有煤層露頭斷續出露，煤層存在風氧化現象。

2 13103工作面大采高大斷面巷道支護數值模擬

2.1 建立模型

13103工作面巷道大斷面支護方式采用錨網索支護形式，煤層厚度從開切眼開始在采煤推進方向128m時，巷道變形范圍內從3m變化到6m，且巷道頂板從挑頂掘進狀態變化至托頂煤掘進狀態。利用FLAC3D數值模擬軟件，對托頂煤的不同支護參數進行了數值模擬研究，分析和驗證其支護效果。

模型尺寸為100×75×50m，共劃分單元330000個，網格結點345420個。

在支護方案數值模擬分析中，將分別考慮輔順在不同托頂煤厚度情況下，有幫錨索支護和無幫錨索支護巷道圍巖的穩定性狀況。

2.2 模擬結果及分析

（1）巷道變形特征

不同托頂煤厚度有無幫錨索時巷道頂板下沉及兩幫移近特征見圖1～2。

圖1 煤厚3m挑頂1m巷道

圖2 煤厚6m托頂煤2m

不同托頂煤厚度有無幫錨索時巷道頂底板匯合量及兩幫移近量統計見表1。

表1 頂底板匯合量及兩幫移近量

由圖1～2和表1可知，有無幫錨索支護和頂煤厚度的不同，對巷道圍巖的變形影響較大。整體來說，托頂煤厚度大時巷道的變形量大于托頂煤厚度小時；無幫錨索支護時巷道的變形量大于有幫錨索支護時。

以上模型中，煤層厚度6m托頂煤2m時頂底匯合量值最大值，無幫錨索時頂板匯合量為404mm，有幫錨索時頂底匯合量381mm，相差23mm；煤層厚度5m托頂煤1m時兩幫移近量值最大值，無幫錨索時兩幫移近量為470mm，有幫錨索時兩幫移近量412mm，相差68mm。兩者比較，使用幫部錨索加強支護比不施工幫錨索有利，但是考慮輔順巷道在有無幫部錨索的情況下，整體收斂后均能滿足使用功能，從經濟角度看，輔順巷道可以采用無幫部錨索支護。

（2）巷道圍巖破壞特征

不同托頂煤厚度有無幫錨索時巷道圍巖塑性區分布特征見圖5～6。

圖3 煤厚3m挑頂1m

圖4 煤厚6m托頂煤2m

由圖3～4巷道圍巖塑性區變化可知，隨著煤層厚度的增大，巷道掘進支護后，圍巖塑性破壞的范圍逐漸增大。對于有無幫錨索支護，塑形區的大小有一些變化，有幫錨索支護的巷道圍巖塑性破壞的范圍要比無幫錨索巷道小一些，但所有模型的塑性區范圍都小于錨桿的支護范圍。從控制巷道圍巖塑性破壞發展的角度，應該選擇有幫錨索進行支護，才有利于巷道圍巖的穩定，但考慮無幫部錨索的情況下，塑性區也能得到有效的控制，從經濟角度看，輔順巷道可以采用無幫部錨索支護。

3 無幫錨索支護方案設計

根據數值模擬的結果，支護設計如下：

（1）支護參數：托頂煤掘進沿空巷道支護頂板時，應在頂板安設托頂錨索，每排兩根Φ21.6mm錨索，排距2400mm，即：3排錨桿布置1排錨索，錨索長度可根據直接頂厚度大小調整，如果直接頂厚度小于1.5m時，也可不用托頂錨索支護，僅使用錨桿將其懸吊在上面中砂巖基本頂上。

（2）支護要求：采用無幫部錨索的情況下，塑性破壞區大小在錨桿的有效控制范圍內。即滿足最大頂底匯合量404mm，最大兩幫移近量470mm。

取得的支護效果：現場工業性實驗對比可知，當實體煤幫錨索密度大時，實體煤幫變形量小，反之變形量大。采用3排錨桿布置1排2根錨索時，實體煤幫最大變形量只有228mm，能滿足巷道超前支架的布置；3排錨桿1排1根錨索時，實體煤變形量達到374mm（未計算擴幫擴去的部分）不能滿足巷道超前支架的布置，需要擴幫。

因此，實體煤幫除采用錨網支護外需要增加幫錨索，每排兩根Φ21.6×5000mm錨索，排距2400mm，即：錨索的支護密度為3排錨桿1排2根錨索，長度5m。

4 結論

本文研究了正興煤礦13103工作面上覆巖層結構及其在不同采高條件下的覆巖運動規律，用數值模擬的方法分析了不同煤層厚度時實體煤巷道和沿空巷道的應力環境，得到如下結論：

（1）造成13103工作面采空區側向煤體中的支承壓力的主要原因是由于煤層上方關鍵層產生的支承壓力疊加作用在煤壁內煤體上，形成一個單峰形態的支承壓力使得煤壁將保持彈性狀態。

（2）軌道順槽受采動支承壓力影響下，在工作面前方15～75m范圍區域發生破壞，其中，嚴重影響區在工作面前方20～50m區域，巷道圍巖應力集中區在實體煤內10m位置處，是工作面超前支護保護的重點區域。

（3）13103工作面鄰近13102采空區邊緣20～30m范圍處會形成支承壓力峰值區域，當受到工作面采動影響下,該支承壓力的峰值區域將呈一個“長尾十字”狀，其中十字的交叉部位是支承壓力最大的區域。