大埋深沿空掘巷非對稱支護技術的數值模擬研究

杜樂樂

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

沿空掘巷是提高煤炭資源回收率的重要途徑。近年來，隨著開采方法不斷完善和機械裝備水平提高，大型綜采逐漸成為現代化礦井先進生產力的代表。大型綜采必然帶來沿空掘巷斷面尺寸擴大化、采動影響程度劇烈化和礦山壓力顯現嚴重化。

同時，隨著開采向深部延伸，沿空巷道變形非對稱性也愈加明顯。傳統煤巷礦壓理論與控制技術難以形成對綜采沿空煤巷新的不對稱破壞形式——頂煤“離層錯動”的科學解釋和安全控制，亟待進行理論創新和技術改進。現有沿空巷道圍巖控制理論有新奧法理論、圍巖松動圈理論、圍巖強度強化理論、高預應力強力支護理論和圍巖支護可靠度理論等，這些理論的形成為巷道圍巖支護體系形成和支護技術革新奠定了基礎[1-5]。何富連針對沿空掘巷圍巖穩定性控制問題，提出了頂板錨索桁架不對稱調控理論，主張頂板錨索支護體系整體向煤柱側偏移，形成對煤柱側頂板的強化控制；殷帥峰等在不對稱調控理論的基礎上，提出了沿空掘巷“雙錨索桁架”不對稱控制理論，即主張不僅頂板錨索體系需要向煤柱側整體偏移，沿空巷道煤柱幫亦應加強穩定性控制，增加短錨索桁架煤壁支護體系[7-8]。

本文對邢東礦11216 運料巷支護方案進行數值模擬。通過模擬不同頂幫錨索的布置方式下應力分布特征、圍巖變形特征來研究各參數與支護作用效果的關系，并確定研究條件下的合理支護參數。

1 支護方案數值模擬分析

邢東礦11216 工作面所采煤層為2 號煤層，工作面標高-800—-970 m，地面標高為+53.8—+59.3 m。煤層平均厚度3.9 m，采用綜合機械化充填開采。11216 運料巷臨近2227 工作面采空區。

在考慮實際工程條件及簡化計算的基礎上，對11216 運料巷應用FLAC3D 數值模擬軟件建立計算模型；選用Mohr-Coulomb 模型，模型尺寸為：長×寬×高=50 m×20 m×40 m；對模型巷道圍巖施加支護，使用cable 單元模擬錨桿（索），并賦予結構單元相應的強度參數及預緊力；限制水平移動，底部固定。

根據確定的模擬方案的關鍵因素，得出表1 的模擬優化方案。優化后共有6 種方案。方案一為頂錨索2-2-2 布置，煤柱幫、實體煤幫各1 趟幫錨索；方案二為頂錨索2-2-2 布置，煤柱幫1 趟幫錨索，實體煤幫2 趟幫錨索；方案三為頂錨索2-2-2 布置，煤柱幫、實體煤幫各2 趟幫錨索；方案四為頂錨索3-3-3 布置，煤柱幫、實體煤幫各1趟幫錨索；方案五為頂錨索3-3-3 布置，煤柱幫1趟幫錨索，實體煤幫2 趟幫錨索；方案六為頂錨索3-3-3 布置，煤柱幫、實體煤幫各2 趟幫錨索。

表1 模擬方案Table 1 Simulation scheme

圖1 為6 種不同支護方案下的預應力場分布。從圖中可以看出，當以方案五和方案六布置頂、幫錨索時，能形成以0.05 MPa 為有效壓應力邊界的預應力場，壓應力疊加區域明顯，且能夠覆蓋整個頂板區域，而其他方案中頂板預應力場均未能與巷幫預應力場形成有效連接；當以方案三、四布置頂、幫錨索時，頂板與巷幫預應力場形成連接的程度要優于方案一、二，但煤巖體的壓應力均衡程度以及應力擴散效果要弱于后兩種方案；比較方案五和方案六，隨著幫錨索根數增加，預應力場應力值相應增大，但以方案五布置時足以形成有效壓應力場，增加幫錨索對壓力值提升不大，且對壓應力范圍擴大不明顯，考慮支護成本及錨桿預應力場擴散效果，方案五為11216 運料巷支護最優方案。

圖1 預應力場分布Fig.1 Distribution of prestress field

2 非對稱支護現場實施方案

在11216 工作面選取了距切眼100 m 范圍的運料巷開展現場試驗。結合11216 運料巷外段圍巖形變觀測數據，頂錨索向偏心距取200 mm。具體支護參數如圖2 所示。

圖2 11216 運料巷非對稱支護方案Fig.2 Asymmetric support scheme of No.11216 transport roadway

（1） 頂板支護。采用φ22 mm×2 400 mm 熱軋細牙等強螺紋鋼式錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm；頂板采用φ21.8 mm×8 500 mm19 股鋼絞線錨索，間排距1 400 mm×1 600 mm。煤柱幫側頂錨索距巷幫650 mm，實體煤幫側頂錨索距巷幫1 050 mm。

（2） 巷幫支護。采用φ20 mm×2 100 mm 熱軋細牙等強螺紋鋼式錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm；煤柱幫側距頂板1 350 mm 打設1 排φ15.24 mm×4 500 mm 七股鋼絞線錨索；實體煤幫側距頂板1 100 mm、2 200 mm 打設2 排φ15.24 mm×4 500 mm 七股鋼絞線錨索，間距1 600 mm，三花眼式布置。

3 現場礦壓觀測

3.1 巷道表面位移觀測

布置一個頂底板及兩幫移進量監測站。同時采用十字布點法安設表面位移觀測斷面，如圖3 所示。采用激光測距儀測量各點距離。

圖3 巷道表面位移觀測斷面布置Fig.3 Section layout of roadway surface displacement observation

3.2 表面位移觀測結果及分析

如圖4 所示，沿空巷道掘進后，巷道表面位移曲線快速上升，在巷道掘進70 d 后趨于平緩；巷道頂幫采取了錨網支護，形變得到一定程度的控制，大量應力在底板釋放，因此底鼓最為嚴重，達到了460 mm；煤柱幫的形變量略大于實體煤幫，基本穩定在230～240 mm；頂板下沉量穩定在40～50 mm。

圖4 位移監測曲線Fig.4 Displacement monitoring curve

總的來說，優化后的支護系統在有效控制整體形變的同時，實現了對非對稱性形變的控制，能較好的滿足安全高效生產的要求。

4 結 論

（1） 通過數值模擬，確定11216 運輸巷的支護方案參數可優化為頂錨索呈“3-3-3”排布、實體煤幫錨索為雙排排布、煤柱幫錨索為單排排布。

（2） 優化后的支護系統在有效控制整體形變的同時，實現了對非對稱性形變的控制，能較好的滿足安全高效生產的要求。