孤島工作面回采巷道錨桿支護數(shù)值模擬研究

宋玉亮， 任 杰

(山西坤龍煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

隨著我國煤炭采掘技術(shù)的不斷進步，對難采資源的開采成為可能，其中就包括對孤島工作面煤炭資源的回收[1]。孤島工作面的開采可以提高煤炭資源利用率，減少資源浪費，同時，使企業(yè)實現(xiàn)增產(chǎn)增效。但孤島工作面的回采會帶來許多礦山壓力問題[2-3]，尤其是對孤島工作面回采巷道的支護問題[4-5]，為了保證礦井的安全高效生產(chǎn)，對孤島工作面的合理支護參數(shù)進行深入的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

安盛欣煤業(yè)4102掘進工作面位于4#煤層皮帶東巷北部，工作面運輸順槽西邊為4101工作面采空區(qū)，之間留有25 m的區(qū)段煤柱；工作面回風(fēng)順槽東邊為4103運輸順槽，之間留有20 m的區(qū)段煤柱；地面相對位置位于回風(fēng)立井口以東段，方位48°，地表為丘陵，無建筑物和水體，掘進時對地面設(shè)施無影響。4102工作面總體地勢為南高北低，無陷落柱，無斷層，為單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造比較簡單。根據(jù)各地面勘探鉆孔及資料分析，4號煤層賦位于太原組下部，距離3號煤層43.80 m左右，煤層平均厚度為4.12 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含1層～2層夾矸，屬于全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，頂板為石灰?guī)r，部分有泥巖偽頂，底板為泥巖。

現(xiàn)以安盛欣煤業(yè)4102孤島工作面回風(fēng)順槽為研究對象，采用工程類比及數(shù)值模擬的手段對其合理的支護參數(shù)進行研究，為其錨桿支護參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)。

2 數(shù)值模擬研究

基于安盛欣煤業(yè)4102孤島工作面的巖層特征，對其頂板及底板進行了巖石的取樣，并在實驗室中進行了相應(yīng)的巖石力學(xué)實驗，得出了頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)數(shù)據(jù)，如表1所示。利用FLAC3D5.00軟件對4102孤島工作面回風(fēng)順槽采用不同錨桿支護方案時，塑性區(qū)破壞及圍巖變形情況進行分析。

表1 4號煤層頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)

2.1 模型建立及開挖步驟

根據(jù)地層實際情況建立模型并且進行賦值，模型尺寸為400 m×200 m×100 m(長×寬×高)。模型共劃分1 262 580個單元，1 309 670個節(jié)點。模型4號煤層厚3.6 m，煤層頂板55 m，底板40 m。模型在前、后、左、右及下部均設(shè)有固定邊界，模型上部施加垂直應(yīng)力，應(yīng)力大小為4.93 MPa。模型示意圖如第93頁圖1所示。

模型建好后首先開挖4101工作面和4102工作面運輸順槽以及回風(fēng)順槽并支護，等順槽穩(wěn)定后(軟件運行收斂)，再先后回采4103工作面和4102工作面，為了計算結(jié)果和實際情況相符，在開挖巷道周圍網(wǎng)格進行加密，以此來確定最佳的巷道支護參數(shù)。

圖1 4102工作面回風(fēng)順槽支護數(shù)值模擬示意圖

2.2 模擬方案

4102工作面回風(fēng)順槽斷面為矩形，斷面高度均為2.9 m，寬度分別為3.7 m。依據(jù)安盛欣煤業(yè)的實際地質(zhì)情況，回風(fēng)順槽共提出6種支護方案，通過工程類比和數(shù)值模擬確定合理的支護方案，最后回風(fēng)順槽有兩個方案作為比較方案，具體方案見表2。

表2 數(shù)值模擬方案表

2.3 4102回風(fēng)順槽數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 相鄰工作面采動影響分析

1) 方案一

建模期間，布置一測點在順槽，圖2顯示當(dāng)4102工作面回風(fēng)順槽采用方案一支護時，相鄰4103工作面開采后4102工作面回風(fēng)順槽測點不同位置時巷道塑性區(qū)分布，圖2a)顯示未受相鄰工作面采動影響時，4102工作面回風(fēng)順槽圍巖礦壓顯現(xiàn)較小，兩幫破壞深度0.5 m左右，小于錨桿錨固長度，可見錨桿起到了錨固作用，巷道底板破壞深度在0.7 m左右，巷道較為穩(wěn)定。圖2b)、c)顯示測點位于4103工作面后方0 m、30 m時，4102工作面回風(fēng)順槽圍巖破壞程度與圖2a)基本相同，但在工作面30 m時，回風(fēng)順槽右?guī)推茐纳疃嚷杂性黾?，巷道較為穩(wěn)定。由圖2d)、f)可以示出，在距離4103工作面后方大于70 m時，回風(fēng)順槽塑性破壞范圍顯著增加，當(dāng)位于4103工作面后方170 m處時，塑性區(qū)范圍已經(jīng)超出錨桿的有效錨固范圍，巷道圍巖失穩(wěn)破壞。

圖2 測點位于相鄰工作面后方不同位置處巷道塑性區(qū)分布圖

2) 方案二

第94頁圖3顯示當(dāng)4102工作面回風(fēng)順槽采用方案二支護時，相鄰4103工作面開采后4102工作面回風(fēng)順槽測點不同位置時巷道塑性區(qū)分布，圖3a)未受相鄰工作面采動影響時，4102工作面回風(fēng)順槽圍巖較為穩(wěn)定，兩幫破壞深度0.5 m左右，小于錨桿錨固長度，可見錨桿起到了錨固作用，巷道底板破壞深度在0.35 m左右，巷道較為穩(wěn)定。圖3b)～圖3f)可以看出，隨著相鄰工作面4103不斷的向前推進，工作面后方4102孤島工作面回風(fēng)順槽塑性破壞范圍逐漸增大，但都在錨桿(索)的有效錨固范圍內(nèi)，塑性區(qū)破壞深度相對較小，巷道圍巖穩(wěn)定。

圖3 測點位于相鄰工作面后方不同位置處巷道塑性區(qū)分布

2.3.2 各方案模擬結(jié)果對比分析

圖4是各方案中順槽頂?shù)装逡平侩S測點至工作面煤壁距離變化情況曲線；圖5為各方案中兩幫移近量隨測點至工作面煤壁距離變化曲線。從兩幫的位移量方面來說，方案二能有效控制兩幫變形，兩幫位移量減小了48%；從頂?shù)装逡平糠矫鎭碚f，方案二由于增強了支護體強度，巷道底臌量明顯減小。

由圖4和圖5可以分析得到，當(dāng)4102工作面回風(fēng)順槽采用方案二支護時，當(dāng)4102回風(fēng)順槽在4103工作面前方60 m時至后方40 m范圍內(nèi)，4102工作面回風(fēng)順槽遭到明顯的采動影響，巷道變形劇烈，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃屋^大。

圖6為各方案下4102工作面回風(fēng)順槽圍巖變形量柱狀對比圖。由圖6可知，方案二能起到較好的支護效果，控制塑性區(qū)的范圍至合理區(qū)域，支護強度較大，產(chǎn)生了明顯的支護效果，故安盛欣煤業(yè)4102工作面回風(fēng)順槽應(yīng)將方案二確定為初始支護方案。

圖5 各方案兩幫移近量隨測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線

圖6 各支護方案下4102工作面回風(fēng)順槽圍巖變形量

2.3.3 本工作面回采時4102工作面回風(fēng)順槽數(shù)值模擬分析

第95頁圖7a)～c)顯示當(dāng)4102工作面回風(fēng)順槽采用方案二支護時，塑性區(qū)在工作面前方0 m、20 m、50 m的分布圖。圖7a)顯示1202工作面回采時，4102工作面回風(fēng)順槽前方50 m處兩幫局部破壞深度1 m左右，底板破壞深度為0.7 m左右，巷道較為穩(wěn)定。圖7b)顯示，4102工作面前方20 m處回風(fēng)順槽兩幫破壞深度為1 m左右，底板破壞深度為1 m左右，巷道開始在4102工作面超前壓力的影響，巷道較為穩(wěn)定。圖7c)顯示當(dāng)測點位于4102工作面處時，回風(fēng)順槽右?guī)推茐姆秶^大，破壞深度達到1.5 m，但仍然處于錨桿有效錨固區(qū)內(nèi)，巷道圍巖穩(wěn)定。

圖7 測點位于本工作面前方不同位置處巷道塑性區(qū)分布圖

3 結(jié)論

綜合以上數(shù)值模擬分析可得，采用方案二對4102孤島工作面回風(fēng)順槽進行支護時，在本工作面及相鄰工作面采動影響下，順槽圍巖塑性區(qū)破壞范圍小，頂?shù)装寮皟蓭鸵平康玫捷^好的控制，可以滿足4102孤島工作面安全回采的要求，故可以作為該順槽的合理支護方案。