沿空掘巷圍巖穩定性數值模擬及聯合控制分析

張志文

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

引言

煤礦掘進和開采效率是影響我國煤礦生產能力的主要因素。沿空掘巷技術由于其煤炭回采率高以及對應巷道掘進率低的優勢被廣泛應用。對于沿空掘巷開采技術而言，實現對其圍巖的穩定控制，保證巷道生產的安全生產尤為重要。目前，針對沿空掘巷開采技術對應的支護主要存在投入量大、維護成本高以及返修量大等問題，究其原因在于對沿空掘巷圍巖狀態掌握不充分，無法采取有效合理的支護措施[1]。本文重點對某沿空掘巷圍巖的穩定性進行數值模擬分析，并針對性地采取聯合控制措施。

1 11073 運輸巷工程概況

本文以保興煤礦的11073 運輸巷掘進工作面為例開展研究，該工作面煤層的平均厚度為2.2 m，煤層厚度范圍為0.94～3.53 m；工作面煤層的平均傾角為42°，煤層傾角范圍為40°～45°。經探測，工作面煤層的瓦斯涌出量為3.24 m3/t。為保證煤礦安全生產，該工作面開采前采取瓦斯抽放的操作，降低工作面瓦斯的涌出量。11073 工作面的頂底板地質條件如表1 所示。

表1 11073 工作面頂底板地質條件

本文將采用FLAC3D 軟件對11073 沿空掘巷圍巖的穩定性進行數值模擬分析；結合上述工程實際情況，基于FLAC3D 所搭建的數值模擬模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D 數值模擬模型

所搭建模型在X 方向的距離為150 m，在Y 方向的距離為120 m，在Z 方向的距離為135 m。兼顧數值模擬的充分性、全面性和準確性對模型進行簡化，最終將模型劃分為15 層。

2 沿空掘巷圍巖穩定性的數值模擬分析

本工況沿空掘巷開采時需留設一點寬度的煤柱以保證煤礦的安全生產。本節重點對不同煤柱寬度下對應11073 工作面掘進和回采期間圍巖的穩定性進行對比，最終確定最佳窄煤柱的合理寬度，具體探討的煤柱合理寬度分別為3 m、5 m、7 m 和9 m。

2.1 掘進期間的圍巖穩定性的數值模擬分析

以距離工作面切眼為150 m 位置為主要監測點，并對煤柱寬度為3 m、5 m、7 m 和9 m 情況下煤層的內應力進行對比，不同煤柱寬度對應煤層應力值數值模擬結果如表2 所示，隨著煤柱寬度的增加，煤柱最大垂直應力逐漸增加，且煤柱的最大應力值所處位置向巷道不斷靠攏。

表2 不同煤柱寬度對應煤層及煤柱最大垂直應力

由此說明，隨著煤柱寬度的增加煤柱最大垂直應力峰值距離巷道越近。

2.2 回采期間的圍巖穩定性的數值模擬分析

同樣以距離工作面切眼為150 m 位置為主要監測點，并對煤柱寬度為3 m、5 m、7 m 和9 m 情況下煤層的內應力進行對比，不同煤柱寬度對應煤層應力值數值模擬結果如表3 所示。

表3 不同煤柱寬度對應煤層及煤柱最大垂直應力

如表3 所示，隨著煤柱寬度的增加，煤柱最大垂直應力呈現先增大后減小的變化趨勢，且當煤柱寬度為7 m 時對應的煤柱最大垂直應力最大[2]。同時，在回采期間煤層最大垂直應力與煤柱寬度的關系不大。

此外，在掘進期間隨著煤柱寬度的增加，底板和頂板的移近量增加；說明底板的底鼓量和頂板的下沉量均增加。同樣，在回采期間底板和頂板的移近量也在增加，同時在回采期工作面圍巖的穩定性較差。

總之，在實際生產階段，沿空掘巷道內煤柱的留設寬度越小時，對應煤柱的支撐能力較弱，無法對工作面起到很好的支撐作用。隨著煤柱留設寬度的增加，對應煤柱的支撐能力增強；與此同時，巷道變形嚴重，對圍巖的控制效果越差[3]。

3 沿空掘巷圍巖的聯合控制及效果分析

通過上述數值模擬分析可知，在巷道掘進和回采階段均屬于支護的難點。尤其在回采階段，由于受到二次采動的影響單純依靠窄煤柱支護已經遠遠不夠，還需采用錨桿和U 型鋼等對巷道進行強化支護，實現對巷道圍巖的聯合控制。

3.1 沿空掘巷的聯合控制

結合11703 工作面的地質條件，并基于相關理論計算初步設計三種錨桿支護方案，具體如下：

1）錨桿排矩為800 mm；頂板錨桿間距為700 mm，高幫錨桿間距為800 mm，低幫錨桿間距為800 mm；錨桿直徑均為20 mm，錨桿長度為2 500 mm。

2）錨桿排矩為800 mm；頂板錨桿間距為800 mm，高幫錨桿間距為800 mm，低幫錨桿間距為800 mm；錨桿直徑均為20 mm，錨桿長度為2 500 mm。

3）錨桿排矩為800 mm；頂板錨桿間距為900 mm，高幫錨桿間距為800 mm，低幫錨桿間距為800 mm；錨桿直徑均為20 mm，錨桿長度為2 500 mm。

上述三種錨桿支護方案的主要區別在于頂板錨桿的間距不同。通過仿真分析可知，方案（2）對應的支護效果最佳。因此，在方案（2）錨桿支護的基礎上，為其配置匹配的錨索支護方案。結合11703 工作面的實際情況和理論計算，選用直徑為15.24 mm，長度為7 200 mm 的錨索聯合方案（2）的錨桿對掘巷工作面圍巖進行永久支護，對應的支護如圖2 所示。

圖2 工作面錨桿+錨索永久支護示意圖（單位：mm）

在上述錨桿與錨索對掘巷工作面永久支護的基礎上，采用U 型鋼對工作面進行強化支護。所選用U型鋼的型號為U36 型鋼材，U 型鋼間距和排間距均為800 mm；在U 型鋼的基礎上行程U 型棚對掘進巷工作面進行強化支護。

3.2 沿空掘巷圍巖聯合控制效果分析

為驗證上述聯合控制方案對掘巷圍巖的控制效果，選用KBU101-200 頂底板移近量動態報警儀和FCHG/1 無線數據采集器對頂底板的移近量進行監測[4-5]。通過對監測所得數據進行分析，總結得出如下結論：

1）對圍巖進行聯合支護后，在掘進期間工作面的表現較為明顯的兩幫移近，其次為頂底板的移近。而且，頂底板和兩幫的移近均在可控范圍之內。說明聯合控制方案的有效性。

2）在回采期間，掘巷兩幫最大的移近量為425 mm，頂底的移近量最大為595 mm。并且在回采25 d 后兩幫和頂底板的移近趨于穩定。

4 結語

1）采用錨桿+錨索的永久支護方案和U 型鋼的強化支護方式實現對工作面圍巖的聯合控制；

2）通過對支護后工作面的變形情況監測可知，所設計的聯合控制方案是有效的。