沿空留巷圍巖支護(hù)優(yōu)化研究

王 卓

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對(duì)能源的需求量呈現(xiàn)穩(wěn)中有升態(tài)勢(shì)，而在我國眾多的能源形式中，煤炭資源無疑是我國能源的中流砥柱。隨著我國提出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，眾多小煤礦已經(jīng)被勒令關(guān)閉，我國煤礦的開采逐步向著大中型礦井轉(zhuǎn)移。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，煤炭資源在我國一次能源消費(fèi)占比約70%，所以大部分國民消費(fèi)由煤炭資源支撐起來的。為提升煤炭采出率，提出無煤柱開采技術(shù)，而無煤柱開采技術(shù)的關(guān)鍵是沿空留巷圍巖控制，如果無法保證沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性，無煤柱工作面的開采安全性無法得到保證，嚴(yán)重威脅著礦井的正常開采，所以對(duì)沿空留巷工作面進(jìn)行有效的支護(hù)是十分重要的[1-2]，此前眾多學(xué)者對(duì)沿空留巷支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行過一定的研究，但較多的研究集中在支護(hù)參數(shù)，對(duì)支護(hù)整體效果的研究較少[3-4]。所以本文以某礦為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)沿空留巷圍巖支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，為沿空留巷無煤柱開采技術(shù)的實(shí)行提供一定的參考。

1 礦井概況

1201 工作面主采2 號(hào)煤層，煤層平均厚度為7.1 m，一次采高3.5 m，煤層傾角為1°左右，為近水平煤層，開采煤層的埋深平均值為430 m。目前巷道支護(hù)方案如下：巷道沿煤層底板布置，巷道的斷面尺寸為5.0 m×3.8 m。在巷道頂板布置7 根Φ22 mm×2 400 mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，頂板錨桿間排距為0.8 m×0.8 m，巷道的兩幫打設(shè)5 根Φ22 mm×2 400 mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿的間排距同樣設(shè)定為0.8 m×0.8 m。同時(shí)為了避免頂板巖層出現(xiàn)離層情況，在頂板布設(shè)Φ18.9 mm×8 300 mm 的鋼絞線錨索。在完成留巷后，搭建1.2 m 寬的混凝土巷旁充填體，巷幫充填體的高度隨巷道高度變化而變化。沿空留巷原有支護(hù)方案下巷道變形嚴(yán)重，巷幫充填體出現(xiàn)傾斜、破碎情況，所以對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證沿空留巷的穩(wěn)定性。原有支護(hù)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 原有支護(hù)方案（mm）

2 數(shù)值模擬研究

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)沿空留巷錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬研究，以1201 工作面為研究工程背景，建立模型，模型的長×寬×高分別設(shè)定為200 m×120 m×60 m，完成模型設(shè)定后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，充分考慮計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度，在巷道邊緣進(jìn)行粗劃分，在模型的邊界進(jìn)行網(wǎng)格的粗劃分。完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行約束設(shè)置，在模型的頂部施加均布載荷P，均布荷載值由覆巖的自重計(jì)算所得，同時(shí)在模型的兩側(cè)和底部施加垂直約束和水平約束，對(duì)模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，在進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定時(shí)，需要充分考慮實(shí)際情況。完成模型物理參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行模擬分析，首先對(duì)回采距離工作面前方距離進(jìn)行分析，選定距離分別為3.6 m、7.2 m、13.2 m、16 m，模擬云圖如2 所示。

從圖2 所示，隨著工作面推進(jìn)巷道圍巖的應(yīng)力重新分布，此時(shí)在距離采空區(qū)邊緣的沿空留巷由于受到工作面開采擾動(dòng)影響，使得應(yīng)力出現(xiàn)明顯的變化。在巷道周圍約20 m 范圍內(nèi)的巖體均會(huì)受到回采擾動(dòng)影響。隨著應(yīng)力擾動(dòng)的增加，巷道圍巖應(yīng)力影響范圍也會(huì)出現(xiàn)一定的變化。距離工作面不同距離下煤幫圍巖的應(yīng)力出現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，這是由于隨工作面的不斷推進(jìn)，錨桿的支撐應(yīng)力不斷前移，此時(shí)基本頂能量快速聚集，當(dāng)基本頂?shù)哪芰烤奂翑嗔褟?qiáng)度時(shí)，基本頂斷裂能量釋放，基本頂出現(xiàn)回轉(zhuǎn)變形并保持穩(wěn)定。此時(shí)巷旁充填體側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)增長狀態(tài)，同時(shí)對(duì)比巷幫充填體與煤體的應(yīng)力可以看出，煤體應(yīng)力峰值小于巷旁充填體。

圖2 滯后工作面不同距離應(yīng)力云圖

對(duì)滯后工作面不同距離下巷道錨桿支護(hù)軸向平均應(yīng)力進(jìn)行分析，將煤幫、柔模幫及巷道頂板的錨桿應(yīng)力曲線進(jìn)行繪制如圖3 所示。

圖3 不同距離下巷道錨桿支護(hù)軸向平均應(yīng)力曲線

從圖3 可以看出，隨著距離滯后工作面距離的不斷增加，巷道煤幫、頂板的錨桿軸向力均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)距離滯后工作面3.6 m 時(shí)，此時(shí)的巷道煤幫及頂板的錨桿軸向平均應(yīng)力值分別為9.1 MPa和5.8 MPa，隨著距離滯后工作面距離增大至16 m時(shí)，此時(shí)巷道煤幫及頂板的錨桿軸向平均應(yīng)力值分別提升至11.6 MPa 和7.1 MPa，分別提升了2.5 MPa 和1.3 MPa。觀察巷幫充填體的錨桿軸向平均應(yīng)力值可以看出，隨著距離滯后工作面距離的增加，巷幫充填體的錨桿軸向平均應(yīng)力值幾乎不會(huì)發(fā)生較大的改變。隨著滯后工作面的距離不斷增加，此時(shí)在巷道煤幫、頂板與巷旁充填體的錨桿平均軸向應(yīng)力分別增長約27.4%、22.4%和5.3%。

根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，給出兩種優(yōu)化方案，分別如下所述。優(yōu)化方案一：在原有支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，將頂錨桿調(diào)整為8 根，頂錨桿的間排距調(diào)整為為700 mm×700 mm，其他參數(shù)不變；優(yōu)化方案二：選用錨桿型號(hào)與原支護(hù)方案相同，將工作面的側(cè)煤幫錨桿數(shù)量降低為4 根，同時(shí)將頂板的錨桿位置做出一定的調(diào)整，一次來提升煤幫側(cè)的頂板支護(hù)密度，同時(shí)在柔模混凝土巷旁充填體的對(duì)拉錨桿數(shù)量由5 根改為4 根。分別對(duì)原有支護(hù)方案及優(yōu)化方案下的巷道圍巖變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。

表1 巷道圍巖變形量統(tǒng)計(jì)表 mm

在開始工作面回采后，此時(shí)從表1 可以看出，原有支護(hù)方案下巷道頂板下沉量為47.2 mm，巷道底鼓量為20.6 mm，兩幫的移近量為112.4 mm，頂?shù)装宓囊平繛?7.8 mm。經(jīng)過支護(hù)優(yōu)化后，支護(hù)優(yōu)化方案一和方案二的巷道圍巖變形量均有了一定幅度的降低，頂板下沉量較原方案降低了9.3%和18.4%，對(duì)比優(yōu)化后的底鼓量可以看出，兩種優(yōu)化方案下底鼓量減小幅度不大，而巷道兩幫移近量分別降低了6.2%和13.1%，所以對(duì)比分析可以看出，方案二的支護(hù)優(yōu)化效果較方案一有所增強(qiáng)，所以選擇方案二。

3 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，隨著工作面推進(jìn)巷道圍巖的應(yīng)力重新分布，距離工作面不同距離下煤幫圍巖的應(yīng)力出現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。

2）隨著滯后工作面的距離不斷增加，此時(shí)在巷道煤幫、頂板與巷旁充填體的錨桿平均軸向應(yīng)力分別增長約27.4%、22.4%和5.3%。

3）根據(jù)模擬給出支護(hù)優(yōu)化方案，支護(hù)優(yōu)化方案一和方案二的巷道圍巖變形量均有了一定幅度的降低，方案二最佳。