基于數值模擬法的巷道支護參數優化設計

李曉杰

（山西西山晉興能源有限責任公司， 山西 呂梁 033601）

引言

隨著礦井開采深度的增加，使得巷道位于更高的地應力環境中，特別是在地質構造復雜的條件下，無形中增加了礦井采掘與支護難度，而煤柱留設也在一定程度上造成資源浪費。為了減少因留設煤柱導致的資源浪費，有效控制巷道圍巖的變形量，沿空留巷的掘進方式將回采巷道布置在臨近已采工作面的側向支承壓力峰值區外，有效規避礦山壓力集中效應，更有利于巷道圍巖控制。

本文以斜溝礦23103大斷面沿空巷道的支護優化設計為工程背景，基于圍巖控制機理和FLAC3D數值模擬技術，對該巷道的支護方案和技術參數進行優化設計[1]。

1 工程概況

斜溝礦位于山西興縣魏家灘鎮黃家溝村，井田南北長22 km，東西寬3～4 km，設計生產能力1 500萬 t/a，面積 88.64 km2，地質儲量 21.64億 t，可采儲量14.14億t，主采8號、13號煤層，兩煤層分采分運。23103工作面位于南五采區，臨近為已采23101工作面，23103運輸平巷采用沿空掘巷方式，巷道規格為4 500 mm×3 500 mm，巷道斷面較大，原支護方式為錨網索+單體液壓支柱聯合支護，巷道與23101工作面采空區之間的區段煤柱寬8 m。巷道掘進后圍巖變形嚴重，頂底板及兩幫移近量增大，維修頻繁直接影響工作面的正常安全生產，由于巷道在工作面回采前已嚴重損壞，圍巖變形難以有效控制，嚴重影響工作面的安全生產[2]。

通過對23103運輸平巷的圍巖變形特征進行研究，在23103運輸平巷500 m的范圍內進行了現場觀測，布置25個觀測站，每個測站每天觀測一次，對巷道頂底板移近量、巷道兩幫移近量、巷道頂板離層值、巷道圍巖表面發展情況進行觀測。經過為期35 d的動態監測、統計和分析，得出23103大斷面沿空巷道圍巖變形特征主要特征：

1）在過程期間巷道圍巖變形量穩定，未隨礦山壓力的釋放逐漸衰減，表明巷道圍巖控制失效，推測沿空巷道布置位置處于側向支承壓力影響范圍內，或巷道支護方案與現場貼服性差，導致巷道圍巖變形嚴重難以控制。

2）在整個觀測期間，巷道兩幫移近量發展速度要快于頂板下沉速度，且底鼓量發展也較大，巷道幫部煤體受壓發生嚴重塑性變形，支撐效果差，直接影響頂板的支護，導致巷道圍巖失穩。

3）現場觀測表明，23103運輸平巷現狀已無法較好地為工作面的安全生產服務，急須在回采前對巷道圍巖控制進行再研究，對巷道支護方案進行優化，并對23103運輸平巷局部區段進行斷面整形及重新支護，確保巷道的正常使用[3]。

2 模型建立

基于巷道圍巖變形機理和特征，斜溝礦使用FLAC3D數值模擬軟件進行沿空巷道的圍巖應力分布、圍巖變形特征及圍巖控制機理進行模擬研究，依據沿空巷道覆巖結構、巷道及工作面參數等建立數值模型，并進行模擬分析，邊界條件如下頁圖1所示。并布置測點、測線對巷道圍巖應力、應變及塑性區進行監測，模擬巷道的開挖、工作面的推進，并對模擬結果進行分析。通過模型建立和模擬結果可知：

圖1 數值模型建立及邊界條件示意圖

1）在煤柱受力及塑性破壞方面，沿空巷道煤柱承受的主應力呈馬鞍形分布，承受的垂直應力較大，而水平應力較小，煤柱容易受到擠壓發生塑性變形，故煤柱尺寸不應過小，失去支撐效能。

2）在煤柱深度范圍內，在距離邊緣1.5 m范圍內，主應力差值小，煤體易發生塑性破壞，在距離邊緣1.5～3.5 m范圍內，主應力差值升高，煤體承載力增強，在3.5～8.5 m范圍內，主應力差值緩慢升高，并在約8.5 m時達到峰值。

3）沿空掘巷受巷道掘進、工作面回采多次擾動，受采空區側向支承壓力、工作面超前支承壓力影響，巷道頂板及兩幫受應力破壞，尤其是煤柱側煤幫，由于高應力影響，發生的塑性變形及位移更明顯，控制其整體外移的難度較大，在支護設計時應該留有一定的位移允許量[4]。

4）分析巷道原設計支護方案，煤柱尺寸的合理性有待研究，且暫無法改變。原支護方案中過度強調對頂板的支護，支護強度和密度已較大，而對巷道兩幫的支護尤其是對煤柱側的支護，僅適用4根普通螺紋鋼錨桿的支護明顯不足，其錨固長度2.4 m，也無法將錨桿錨固到深部穩定錨固區，無法在幫部形成穩定的整體結構，范圍會在頂板、煤幫的變形互相作用下整體失穩、失效[5]。

3 現場應用

在以上研究及分析的基礎上，對23103運輸平巷的支護方案進行優化及現場試驗。試驗段為該巷道變形較嚴重的50 m巷道區段，在對巷道進行挑頂、刷幫、臥底等相關整形施工后，按照新的支護方案，頂部支護與原方案一致，重新打設Φ18×2400 mm無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，配合Φ18mm×9000mm預應力錨索，間排距為1 600 mm×800 mm；巷道兩幫因錨桿錨固長度有限，在兩幫增設錨索配合槽鋼帶支護，錨索為Φ117.8mm×6000 mm預應力錨索，每1 600 mm打設一排，每幫每排2根，間距1500mm，上距頂900mm，下距底1 000mm，垂直煤幫打設，錨固力不低于180 kN，并將每幫相鄰四根錨索使用槽鋼帶進行聯合錨固，錨固外端形成“井”字型結構，每兩排錨索形成一個穩定的錨固結構。優化后的巷道支護斷面示意圖如圖2所示。

圖2 優化后的巷道支護斷面示意圖（單位：mm）

4 支護效果分析

通過對23103工作面回采巷道進行為期35 d的動態監測，共布置5個測站，每個測站每天觀測一次，對巷道的圍巖變形量進行觀測和統計分析，得出試驗段內巷道底鼓控制效果良好，頂底板累計移近量控制在80～190 mm范圍內，兩幫移近量控制在120～250 mm范圍內，圍巖雖在一定程度上發生變形，但整體控制效果良好，巷道的斷面收縮率均在可控范圍，保證巷道的安全使用。

5 結論

本文以斜溝礦23103工作面回采巷道支護為工程背景，針對巷道圍巖軟、變形大無法滿足生產需求的問題，基于圍巖控制機理和FLAC3D數值模擬技術對巷道支護參數進行優化設計，計算得出科學合理的技術參數與支護方案，通過現場觀測巷道變形數據，巷道頂底板累計移近量控制在80～190 mm范圍內，兩幫移近量控制在120～250 mm范圍內，巷道斷面收縮率在可控范圍，體現出良好的控制效果，證明優化后的巷道支護技術參數和方案能夠保證礦井的安全生產需求。