基于數(shù)值模擬法的巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李曉杰

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033601）

引言

隨著礦井開采深度的增加，使得巷道位于更高的地應(yīng)力環(huán)境中，特別是在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的條件下，無形中增加了礦井采掘與支護(hù)難度，而煤柱留設(shè)也在一定程度上造成資源浪費(fèi)。為了減少因留設(shè)煤柱導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，有效控制巷道圍巖的變形量，沿空留巷的掘進(jìn)方式將回采巷道布置在臨近已采工作面的側(cè)向支承壓力峰值區(qū)外，有效規(guī)避礦山壓力集中效應(yīng)，更有利于巷道圍巖控制。

本文以斜溝礦23103大斷面沿空巷道的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)為工程背景，基于圍巖控制機(jī)理和FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)該巷道的支護(hù)方案和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 工程概況

斜溝礦位于山西興縣魏家灘鎮(zhèn)黃家溝村，井田南北長22 km，東西寬3～4 km，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 500萬 t/a，面積 88.64 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量 21.64億 t，可采儲(chǔ)量14.14億t，主采8號(hào)、13號(hào)煤層，兩煤層分采分運(yùn)。23103工作面位于南五采區(qū)，臨近為已采23101工作面，23103運(yùn)輸平巷采用沿空掘巷方式，巷道規(guī)格為4 500 mm×3 500 mm，巷道斷面較大，原支護(hù)方式為錨網(wǎng)索+單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)，巷道與23101工作面采空區(qū)之間的區(qū)段煤柱寬8 m。巷道掘進(jìn)后圍巖變形嚴(yán)重，頂?shù)装寮皟蓭鸵平吭龃?，維修頻繁直接影響工作面的正常安全生產(chǎn)，由于巷道在工作面回采前已嚴(yán)重?fù)p壞，圍巖變形難以有效控制，嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)[2]。

通過對(duì)23103運(yùn)輸平巷的圍巖變形特征進(jìn)行研究，在23103運(yùn)輸平巷500 m的范圍內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，布置25個(gè)觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)站每天觀測(cè)一次，對(duì)巷道頂?shù)装逡平?、巷道兩幫移近量、巷道頂板離層值、巷道圍巖表面發(fā)展情況進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)過為期35 d的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析，得出23103大斷面沿空巷道圍巖變形特征主要特征：

1）在過程期間巷道圍巖變形量穩(wěn)定，未隨礦山壓力的釋放逐漸衰減，表明巷道圍巖控制失效，推測(cè)沿空巷道布置位置處于側(cè)向支承壓力影響范圍內(nèi)，或巷道支護(hù)方案與現(xiàn)場(chǎng)貼服性差，導(dǎo)致巷道圍巖變形嚴(yán)重難以控制。

2）在整個(gè)觀測(cè)期間，巷道兩幫移近量發(fā)展速度要快于頂板下沉速度，且底鼓量發(fā)展也較大，巷道幫部煤體受壓發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，支撐效果差，直接影響頂板的支護(hù)，導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)。

3）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，23103運(yùn)輸平巷現(xiàn)狀已無法較好地為工作面的安全生產(chǎn)服務(wù)，急須在回采前對(duì)巷道圍巖控制進(jìn)行再研究，對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)23103運(yùn)輸平巷局部區(qū)段進(jìn)行斷面整形及重新支護(hù)，確保巷道的正常使用[3]。

2 模型建立

基于巷道圍巖變形機(jī)理和特征，斜溝礦使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行沿空巷道的圍巖應(yīng)力分布、圍巖變形特征及圍巖控制機(jī)理進(jìn)行模擬研究，依據(jù)沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)、巷道及工作面參數(shù)等建立數(shù)值模型，并進(jìn)行模擬分析，邊界條件如下頁圖1所示。并布置測(cè)點(diǎn)、測(cè)線對(duì)巷道圍巖應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，模擬巷道的開挖、工作面的推進(jìn)，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。通過模型建立和模擬結(jié)果可知：

圖1 數(shù)值模型建立及邊界條件示意圖

1）在煤柱受力及塑性破壞方面，沿空巷道煤柱承受的主應(yīng)力呈馬鞍形分布，承受的垂直應(yīng)力較大，而水平應(yīng)力較小，煤柱容易受到擠壓發(fā)生塑性變形，故煤柱尺寸不應(yīng)過小，失去支撐效能。

2）在煤柱深度范圍內(nèi)，在距離邊緣1.5 m范圍內(nèi)，主應(yīng)力差值小，煤體易發(fā)生塑性破壞，在距離邊緣1.5～3.5 m范圍內(nèi)，主應(yīng)力差值升高，煤體承載力增強(qiáng)，在3.5～8.5 m范圍內(nèi)，主應(yīng)力差值緩慢升高，并在約8.5 m時(shí)達(dá)到峰值。

3）沿空掘巷受巷道掘進(jìn)、工作面回采多次擾動(dòng)，受采空區(qū)側(cè)向支承壓力、工作面超前支承壓力影響，巷道頂板及兩幫受應(yīng)力破壞，尤其是煤柱側(cè)煤幫，由于高應(yīng)力影響，發(fā)生的塑性變形及位移更明顯，控制其整體外移的難度較大，在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該留有一定的位移允許量[4]。

4）分析巷道原設(shè)計(jì)支護(hù)方案，煤柱尺寸的合理性有待研究，且暫無法改變。原支護(hù)方案中過度強(qiáng)調(diào)對(duì)頂板的支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度和密度已較大，而對(duì)巷道兩幫的支護(hù)尤其是對(duì)煤柱側(cè)的支護(hù)，僅適用4根普通螺紋鋼錨桿的支護(hù)明顯不足，其錨固長度2.4 m，也無法將錨桿錨固到深部穩(wěn)定錨固區(qū)，無法在幫部形成穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，范圍會(huì)在頂板、煤幫的變形互相作用下整體失穩(wěn)、失效[5]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在以上研究及分析的基礎(chǔ)上，對(duì)23103運(yùn)輸平巷的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)段為該巷道變形較嚴(yán)重的50 m巷道區(qū)段，在對(duì)巷道進(jìn)行挑頂、刷幫、臥底等相關(guān)整形施工后，按照新的支護(hù)方案，頂部支護(hù)與原方案一致，重新打設(shè)Φ18×2400 mm無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，配合Φ18mm×9000mm預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為1 600 mm×800 mm；巷道兩幫因錨桿錨固長度有限，在兩幫增設(shè)錨索配合槽鋼帶支護(hù)，錨索為Φ117.8mm×6000 mm預(yù)應(yīng)力錨索，每1 600 mm打設(shè)一排，每幫每排2根，間距1500mm，上距頂900mm，下距底1 000mm，垂直煤幫打設(shè)，錨固力不低于180 kN，并將每幫相鄰四根錨索使用槽鋼帶進(jìn)行聯(lián)合錨固，錨固外端形成“井”字型結(jié)構(gòu)，每兩排錨索形成一個(gè)穩(wěn)定的錨固結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的巷道支護(hù)斷面示意圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的巷道支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

4 支護(hù)效果分析

通過對(duì)23103工作面回采巷道進(jìn)行為期35 d的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，共布置5個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站每天觀測(cè)一次，對(duì)巷道的圍巖變形量進(jìn)行觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，得出試驗(yàn)段內(nèi)巷道底鼓控制效果良好，頂?shù)装謇塾?jì)移近量控制在80～190 mm范圍內(nèi)，兩幫移近量控制在120～250 mm范圍內(nèi)，圍巖雖在一定程度上發(fā)生變形，但整體控制效果良好，巷道的斷面收縮率均在可控范圍，保證巷道的安全使用。

5 結(jié)論

本文以斜溝礦23103工作面回采巷道支護(hù)為工程背景，針對(duì)巷道圍巖軟、變形大無法滿足生產(chǎn)需求的問題，基于圍巖控制機(jī)理和FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算得出科學(xué)合理的技術(shù)參數(shù)與支護(hù)方案，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)巷道變形數(shù)據(jù)，巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量控制在80～190 mm范圍內(nèi)，兩幫移近量控制在120～250 mm范圍內(nèi)，巷道斷面收縮率在可控范圍，體現(xiàn)出良好的控制效果，證明優(yōu)化后的巷道支護(hù)技術(shù)參數(shù)和方案能夠保證礦井的安全生產(chǎn)需求。