采空區(qū)下回采巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

岳振輝

(山西柳林聯(lián)盛郭家山煤業(yè)有限公司， 山西 柳林 033300)

?

·試驗(yàn)研究·

采空區(qū)下回采巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

岳振輝

(山西柳林聯(lián)盛郭家山煤業(yè)有限公司， 山西 柳林 033300)

為了確定采空區(qū)下巷道合理的支護(hù)方案，以某煤礦為研究對(duì)象，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，通過對(duì)不同監(jiān)測斷面的圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)采空區(qū)下回采巷道的圍巖應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值分析。研究表明，巷道采用錨桿和工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)比單一支護(hù)效果更好，能夠明顯降低頂?shù)装逦灰屏?，因此，確定了基本支護(hù)方案為錨網(wǎng)+工字鋼棚復(fù)合支護(hù)形式。

采空區(qū)；回采巷道；支護(hù)形式；FLAC3D

采空區(qū)下布置巷道，不可避免地受到采空區(qū)圍巖擾動(dòng)，巷道的圍巖條件和性質(zhì)不同于傳統(tǒng)的巷道，進(jìn)而巷道的支護(hù)機(jī)理和支護(hù)方案的確定也不同于傳統(tǒng)的巷道支護(hù)。針對(duì)該煤礦采空區(qū)下如何進(jìn)行回采巷道布置，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行模擬分析，確?；夭上锏赖姆€(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效回采。

1 工作面概況

該煤礦6203工作面位于井田的西南，所屬煤層為6號(hào)煤層下分層，東鄰6204工作面，西鄰6201工作面，依次布置6203工作面運(yùn)輸巷、切眼和回風(fēng)巷。工作面埋深為170～220 m.6203工作面運(yùn)輸巷長578 m，采用錨網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護(hù)。切眼長度約150 m，工作面推進(jìn)總長度為345 m. 6203回風(fēng)巷正待掘進(jìn)。由于歷史開采因素，6203工作面上部存在采空區(qū)，與工作面最近間距僅2 ～3 m.遺留采空區(qū)造成的煤巖層移動(dòng)與破壞不利于目前工作面與巷道圍巖的穩(wěn)定，其中采空區(qū)下推進(jìn)長度213 m，非采空區(qū)下推進(jìn)長度為132 m.6203工作面布置圖見圖1.

圖1 6203工作面布置圖

2 采空區(qū)下回采巷道支護(hù)機(jī)理及支護(hù)方案設(shè)計(jì)

由該煤礦回采巷道的實(shí)際狀況可知，采空區(qū)下回采巷道區(qū)域與采空區(qū)之間的距離較近，加上巷道頂板的支護(hù)性能下降，因此必須優(yōu)化采空區(qū)下回采巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)。通過對(duì)施工區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析，采取錨桿+網(wǎng)+工字鋼棚的支護(hù)方式，保障了回采巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高。支護(hù)方式使用過程中，錨網(wǎng)支護(hù)裝置起著主要的支撐作用，其它的支護(hù)結(jié)構(gòu)起輔助作用。根據(jù)不同構(gòu)件相互擠壓理論可知，在優(yōu)化巷道生產(chǎn)區(qū)軟弱圍巖抗壓性能的過程中，合理地運(yùn)用錨桿，可以達(dá)到擠壓加固拱的效果，確保破碎圍巖整體的受力均勻性。同時(shí)，在錨桿預(yù)應(yīng)力的作用下，可以將受力整體按照?qǐng)A錐體的分布方式進(jìn)行合理地設(shè)置，促使所有的錨桿發(fā)揮作用，進(jìn)而提高圍巖的抗變形能力。結(jié)合圍巖自身的特性，合理地設(shè)置組合拱，將會(huì)提高圍巖的承載力，優(yōu)化巷道施工質(zhì)量，促使巷道圍巖能夠長期處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。錨桿工作原理見圖2.

1—連續(xù)壓縮帶 2—錐形體壓縮帶 L—連續(xù)壓縮帶寬度 t—錐形體壓縮帶寬度圖2 錨桿工作原理示意圖

距離工作面回風(fēng)巷約197 m，通過測量，發(fā)現(xiàn)巷道上方具有較大的采空區(qū)，致使巷道上方頂板支撐下的煤層裂隙逐漸擴(kuò)大，給回采巷道作業(yè)計(jì)劃的順利實(shí)施帶來了威脅。采取必要的措施對(duì)回風(fēng)巷進(jìn)行合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，需要重點(diǎn)考慮巷道破碎圍巖的特性，提高其整體抗變形能力，阻止圍巖裂隙的繼續(xù)擴(kuò)大，并對(duì)寬度較大的圍巖裂隙進(jìn)行針對(duì)性地處理。具體支護(hù)方案見圖3，相關(guān)的支護(hù)參數(shù)如下：

圖3 6203工作面支護(hù)斷面示意圖

巷頂錨桿采用d18 mm×1 600 mm無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×900 mm，頂部鋪設(shè)10#單層菱形金屬網(wǎng)；錨桿間使用鋼筋梯進(jìn)行組合，鋼筋梯規(guī)格為3800 mm×200 mm. 回采側(cè)幫采用d18 mm×1 600 mm玻璃鋼錨桿，非回采側(cè)幫采用d18 mm×1 600 mm無縱筋螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿間排距為900 mm×900 mm，回采側(cè)幫鋪設(shè)塑料尼龍網(wǎng)，規(guī)格為3 000 mm×1 100 mm；非回采側(cè)幫鋪設(shè)10#單層菱形金屬網(wǎng)。錨桿支護(hù)后架設(shè)11#工字鋼棚，棚距1 000 mm.巷道錨桿與工字鋼棚布置好后對(duì)巷道表面進(jìn)行噴漿，噴漿厚度為100 mm.

3 支護(hù)分析中數(shù)值模擬法的有效使用

當(dāng)采空區(qū)開挖作業(yè)計(jì)劃完成后，發(fā)現(xiàn)既有的圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性發(fā)生了較大的改變，導(dǎo)致其上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，出現(xiàn)了巖層垮落的現(xiàn)象，最終填滿了采空區(qū)。在開挖6203工作面回風(fēng)巷時(shí)，應(yīng)充分考慮各方面的影響因素，需要在采空區(qū)上層的所有破碎圍巖完成塌落后，執(zhí)行工作面回風(fēng)巷的作業(yè)計(jì)劃。在對(duì)采空區(qū)下回采巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，利用FLAC3D，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置與未設(shè)置時(shí)監(jiān)測斷面a、b、c、d、e處應(yīng)力及相應(yīng)的位移變化進(jìn)行分析。具體的數(shù)值模擬分析示意圖見圖4.

利用數(shù)值模擬分析法，可以對(duì)兩種不同支護(hù)方案的實(shí)際作用效果進(jìn)行綜合地評(píng)估，見圖5.

圖4 數(shù)值模擬分析示意圖

圖5 巷道不同位置處支護(hù)結(jié)構(gòu)是否設(shè)置狀態(tài)下應(yīng)力分布示意圖

1) 采空區(qū)下回采巷道未設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，通過數(shù)值模擬法的有效分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力相對(duì)較大的區(qū)域主要集中在巷道兩端的頂部。其中，監(jiān)測斷面應(yīng)力峰值相對(duì)較大的區(qū)域位于b處，其應(yīng)力峰值為9.2 MPa；通過對(duì)監(jiān)測斷面c處的模擬分析，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力峰值保持在8.6 MPa左右；應(yīng)力峰值保持在7.7 MPa的監(jiān)測斷面位于d處；應(yīng)力峰值相對(duì)較小的區(qū)域位于a處和e處，大小為7.6 MPa.

2) 采空區(qū)下回采巷道設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)后，原先的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生了較大的變化。其中，不同監(jiān)測斷面點(diǎn)的應(yīng)力峰值下降，整體的應(yīng)力分布區(qū)上移。通過數(shù)值模擬分析法的有效使用，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力峰值較大的監(jiān)測斷面位于b處，大小為6.9 MPa；監(jiān)測斷面c處的應(yīng)力峰值也發(fā)生了變化，約為6.6 MPa；監(jiān)測斷面d處應(yīng)力峰值也發(fā)生了變化，大小為6.5 MPa；應(yīng)力峰值相對(duì)較小的監(jiān)測斷面a處和e處，應(yīng)力大小變?yōu)榱?.3 MPa.

通過對(duì)設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)與未設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用錨桿+網(wǎng)+工字鋼棚的支護(hù)方式，不同監(jiān)測斷面a、b、c、d處的應(yīng)力峰值發(fā)生了變化，分別改變了2.7 MPa、2.3 MPa、2.1 MPa、2.7 MPa.

由于巷道開采計(jì)劃的實(shí)施，既有的應(yīng)力狀態(tài)隨著開采計(jì)劃的推進(jìn)也在發(fā)生著變化，巷道頂板偏離了原來的位置。結(jié)合數(shù)值模擬法的分析結(jié)果可知，合理地設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)后，巷道頂板的抗壓強(qiáng)度提高，底板的偏移量也在減小。通過對(duì)不同監(jiān)測斷面a、b、c、d、e的有效分析，發(fā)現(xiàn)頂板及底板位移量移動(dòng)減少了12 mm、14 mm、11 mm、10 mm、9 mm，位移量變化范圍保持在9～15 mm.巷道支護(hù)與未支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)頂?shù)装逦灰谱兓恳姳?.

表1 巷道支護(hù)與未支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)頂?shù)装逦灰谱兓勘?mm

4 結(jié)束語

為了保證采空區(qū)下回采巷道生產(chǎn)計(jì)劃的順利實(shí)施，需要結(jié)合采空區(qū)的實(shí)際情況，合理地設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，制定出可靠的支護(hù)措施，錨桿+網(wǎng)+工字鋼棚支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以減少采空區(qū)對(duì)回采巷道的影響。為破碎圍巖承載力的提高及抗壓性能的優(yōu)化提供可靠的保障。同時(shí)，結(jié)合數(shù)值模擬分析法，優(yōu)化采空區(qū)下巷道的設(shè)計(jì)方案，可以保持圍巖表面的受力均勻性，提高巷道的抗變形能力，最大限度地發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際作用，增強(qiáng)高巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

[1] 侯朝炯,柏建彪,張 農(nóng),等.困難復(fù)雜條件下的煤巷錨桿支護(hù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001(23):84-88.

[2] 沈運(yùn)才.近距離采空區(qū)下松散煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

[3] 李榮坤.采空區(qū)下回采巷道布置與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析[J].煤炭工程,2011(8):48-49.

[4] 田伯權(quán).采空區(qū)下松軟煤層巷道圍巖穩(wěn)定性綜合控制技術(shù)與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2006(9):76-78.

Numerical Simulation Study on Support Schemes of Mining Roadway under Goaf

YUE Zhenhui

In order to determine the reasonable supporting scheme of roadway under goaf, takes a coalmine as the research object and uses FLAC numerical simulation software to monitor the stress of surrounding rock in different monitoring section, and analyzes the surrounding rock stress with numerical method. The results show that the combined support of rock bolt and I-steel shed is much better than the single support, which can obviously reduce the displacement of roof and floor. Therefore, the basic support scheme of bolting net and I-steel shed composite support form is ensured.

Goaf; Mining roadway; Supporting form; FLAC3D

2016-06-07

岳振輝(1975—)，男，山西柳林人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作(E-mail)hyzfmkj@sina.com

TD353

A

1672-0652(2016)08-0041-04