礦井支護方案優化設計數值模擬研究

王經緯

（山西長治經坊莊子河煤業有限公司，山西 長治 046000）

引言

我國煤礦煤層埋深較深，開采常常采用留設煤柱開采形式，傳統的留設煤柱開采會在煤柱上部位置形成一定的應力集中區域，使得周邊巷道出現較大變形及冒頂問題，對煤礦安全生產造成了一定的威脅。為了提升煤礦采出率，降低煤炭資源的浪費情況，提出無煤柱開采技術，無煤柱開采技術不僅能夠提升煤礦開采的回收率，同時能夠避免煤礦發生地質災害事故，是我國煤炭行業重要的發展方向[1-2]。在無煤柱開采技術使用過程中，由于頂板難以形成穩定的支護體系，使得巷道頂板極易出現失穩情況，同時復合頂板造成的冒頂事故同樣是造成頂板事故的主要原因。為了增加頂板支護穩定性，提升礦井開采的安全性，對巷道支護進行研究十分重要[3]。但考慮到不同地質礦井支護無法一概而論，所以本文以某礦為研究背景，對礦井支護方案進行優化設計，為礦井安全開采提供保障。

1 數值模擬分析

原支護方案下巷道圍巖變形較大，需要對巷道支護方案進行優化，利用數值模擬軟件對不同優化設計方案進行對比分析，從而選出最佳的支護方案。首先進行模型的建立，模擬軟件選擇UDEC 進行模擬分析，模型的尺寸設計為長×寬為200 m×60 m，設計巷道模型為矩形斷面，斷面尺寸為4.55 m×2.2 m，設定采空區尺寸為150 m×2.2 m。對模型進行模型劃分，完成模型劃分后對模型的邊界條件進行設定，約束模型左右及下部約束，限制模型X、Y 方向的位移。在模型上部施加均布荷載，根據覆巖高度115 m計算可得均布荷載大小為2.76 MPa。對模型進行物理參數設定，根據實際地質情況進行設定，完成模型的初始建立。

給出四種不同的支護方案：方案一選擇尺寸20 mm×2 400 mm 的錨桿，錨桿間排距設定為900 mm、900 mm，每支錨桿選用3 支K2335 的樹脂藥卷，設定錨固力為50 kN。錨索采用尺寸21.8 mm×8 000 mm的鋼絞線，錨索間排距為2 000 mm、2 400 mm，錨索采用3 支K2850 樹脂藥卷錨固，預應力為120 kN，同時在走向位置布置W 鋼帶，鋼帶尺寸為5 400 mm×245 mm。為了提升整體穩定性，選用恒阻錨索進行補強支護，錨索尺寸為21.8 mm×8 000 mm，恒阻器尺寸為65 mm×500 mm。方案二將方案一的錨索支護參數改為錨索位于巷道中心，布置排距為2 400 mm，預應力為120 kN，托盤尺寸300 mm×300 mm×12 mm，對比方案一少了一根煤壁側錨索。方案三在方案一的基礎上將錨索長度變為6 000 mm，布置排距設定為2 400 mm，同時錨索布置于回風巷頂板中心，預應力120 kN。方案四錨索長度變為7 000 mm，布置排距2 400 mm，錨索位于回風巷頂板中心，預應力120 kN。對四種支護方案下巷道圍巖變形及應力分布情況進行模擬，本文僅展示方案二下的巷道垂直應力及位移云圖，如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，應力集中主要出現在巷道煤壁幫，最大應力約為3 MPa；從垂直位移云圖可以看出，方案二的切縫線發育較好，能夠切斷采空區頂板由于垮落造成的巷道頂板變形，巷道頂板下沉量較小，留巷較為成功。

圖1 方案二

對四種方案下頂板下沉量進行匯總，繪制直方圖如下頁圖2 所示。

圖2 四種方案下頂板下沉量

通過在巷道的頂板布置監測線，用于監測巷道頂板下沉情況，根據頂板最大下沉量可以看出，在方案一和方案二中巷道頂板的最大下沉量分別為220 mm、230 mm，兩種方案下頂板下沉量相差不大；方案三和方案四中頂板的最大下沉量分別為285 mm、263 mm，兩種方案與方案一和方案二相差較大，所以相對不利于巷道的穩定和控制。綜合對比方案二與方案一支護參數可知，方案二較方案一每排少一根錨索，但兩者的支護效果相差不大，所以從經濟性角度出發，支護方案二較優。

2 支護方案設計及應用

為了保證切頂能夠順利進行，保護巷道和抵擋矸石入侵，對巷道進行動壓加強支護。采用單體液壓支柱DZ25-25/100 型配合π 型鋼梁棚，架設3 排，1 梁4 柱布置，柱距0.9 m；整體支護設計方案如圖3 所示。

圖3 整體支護設計圖（單位：mm）

為了對巷道的表面位移進行檢查，在回風巷的頂底板布置位移測站。從開切眼位置每50 m 布置一個位移測站，采用十字交叉法進行變形量的監測，得到巷道圍巖變形量曲線如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖變形量曲線

從圖4 優化支護參數后巷道圍巖變形曲線可以看出，隨著工作面的不斷推進，此時巷道的頂底板移近量呈現逐步增大的趨勢，同時巷道兩幫移近量同樣呈現逐步增大的趨勢，但增長趨勢大致可以分為三個階段，第一階段滯后工作面70 m 以內時，此時增長速度較慢；第二階段滯后工作面70～100 m 時，此時的增長速度最快，巷道整體變形在此階段最為明顯；當滯后工作面距離達到100 m 時，此時圍巖變形的增長速度明顯減緩，頂底板移近量最大值為210 mm，兩幫移近量的最大值為180 mm，有效地控制了巷道的變形，整體支護設計較為成功。

3 結論

1）通過對支護方案模擬發現應力集中主要出現在巷道煤壁幫，最大應力約為3 MPa，切縫線發育較好，能夠切斷采空區頂板由于垮落造成的巷道頂板變形。

2）綜合對比四種支護方案下的支護參數及支護效果，從經濟性角度出發，支護方案二較優。

3）隨著工作面的不斷推進，此時巷道的頂底板移近量及兩幫移近量增大的趨勢逐步減緩，有效地控制了巷道的變形，整體支護設計較為成功。