1301 工作面輔運(yùn)順槽圍巖變形特征及支護(hù)效果模擬

李海洋

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214）

隨著礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，煤礦巷道支護(hù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。錨桿支護(hù)是巷道支護(hù)技術(shù)中最為經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)技術(shù)[2]。針對(duì)玉溪煤礦1301 工作面巷道穩(wěn)定性與圍巖控制方面進(jìn)行模擬研究分析，研究結(jié)果可以為相似礦井的圍巖控制提供借鑒依據(jù)和參考價(jià)值。

1 概況

玉溪煤礦隸屬于山西蘭花科創(chuàng)集團(tuán)，位于山西省晉城市沁水煤田南部，劃分為2 個(gè)盤區(qū)，首采工作面為1301 工作面[3]。

1301 工作面位于井田南部，東西走向布置，所回采的3#煤層采用大采高工藝采掘[4]。3#煤層位于山西組下部，為緩傾斜煤層，傾角小于8°，埋深超過(guò)500 m，厚度5.1～7.2 m，平均5.85 m。1301 工作面輔助運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過(guò)程中共揭露3 條褶曲，褶曲軸部地應(yīng)力明顯增加，層理發(fā)育較明顯，需要制定合理有效的支護(hù)方案進(jìn)行巷道圍巖控制。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

為準(zhǔn)確建立1301 工作面輔運(yùn)順槽在支護(hù)前圍巖變形破壞特征的物理模型，運(yùn)用FLAC 4.0 軟件進(jìn)行分析。FLAC 4.0 的運(yùn)算機(jī)理是采用顯式有限差分法，利用各節(jié)點(diǎn)位移的連續(xù)性對(duì)機(jī)體進(jìn)行非線性變形分析。根據(jù)1301 工作面輔運(yùn)順槽的地質(zhì)條件及巷道特征，選擇40 m×30 m 的有效范圍進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元共計(jì)20 711 個(gè)（長(zhǎng)寬尺寸為149×139）。

邊界條件設(shè)置：模型上部（即巷道頂部）邊界設(shè)定為應(yīng)力邊界條件（Stress Boundary Condition）；左右側(cè)（即巷道兩幫）邊界設(shè)定為水平位移約束邊界；下部（即巷道底部）邊界設(shè)為垂直位移約束邊界。1301 工作面輔助運(yùn)輸順槽物理模型如圖1。

圖1 1301 工作面輔助運(yùn)輸順槽物理模型圖

2.2 模擬結(jié)果

FLAC 4.0 為井下巷道的彈塑性分析提供了符合莫爾一庫(kù)侖強(qiáng)度理論（Mohr Coulomb theory）的材料模擬巖石介質(zhì)。故本模擬選取彈塑性材料，運(yùn)用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則對(duì)巖體的破壞程度進(jìn)行判斷，所獲得1301 工作面輔運(yùn)順槽圍巖（水平、垂直）應(yīng)力云圖和（水平、垂直）位移云圖如圖2。

1301 工作面輔運(yùn)順槽圍巖穩(wěn)定性較差，在未進(jìn)行支護(hù)時(shí)，水平應(yīng)力主要影響巷道頂、底板圍巖，垂直應(yīng)力主要影響巷道兩幫圍巖。其中兩幫受礦壓影響最為嚴(yán)重，兩側(cè)疊加最大塑性屈服半徑達(dá)到8930 mm；頂板受影響較小，最大塑性屈服半徑僅為兩幫一半，為4392 mm；底板處最大塑性屈服半徑則為6487 mm。

圖3為 1301工作面輔運(yùn)順槽圍巖四邊變形情況?？梢钥闯鱿锏朗芷茐挠绊懛秶^大且運(yùn)動(dòng)劇烈：兩幫相對(duì)位移最為明顯，左右側(cè)累積最大相對(duì)移近量602 mm×2=1204 mm；頂板最大下沉量也較大，達(dá)841 mm；底板最大底鼓量較小，為169 mm。綜合分析輔助運(yùn)輸順槽圍巖的變形破壞特征，判定1301工作面輔助運(yùn)輸順槽屬于Ⅳ類不穩(wěn)定煤層巷道。

圖2 1301 工作面輔運(yùn)順槽圍巖應(yīng)力和位移云圖

3 支護(hù)效果數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)1301 工作面輔運(yùn)順槽頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r變形破壞特征，結(jié)合相關(guān)案例，對(duì)1301 工作面輔運(yùn)順槽進(jìn)行錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巷道聯(lián)合支護(hù)規(guī)格

根據(jù)上述支護(hù)方案，再次建立FLAC 4.0 的數(shù)值模型，如圖4。

通過(guò)FLAC 4.0 模擬計(jì)算，得到1301 工作面輔運(yùn)順槽圍巖（水平、垂直）應(yīng)力云圖和（水平、垂直）位移云圖，如圖5。模擬結(jié)果顯示，巷道經(jīng)過(guò)支護(hù)后，圍巖塑性區(qū)分布破壞范圍縮小明顯：頂板減少為1730 mm（支護(hù)前為4392 mm），降低了60.6%；兩幫累積減少為3036 mm（支護(hù)前為8930 mm），降低了66%。綜上分析，1301 工作面巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，圍巖的塑性完整性得到了有效的控制，巷道頂板和兩幫的破壞范圍也明顯降低，如圖5。

圖4 1301 工作面輔運(yùn)順槽支護(hù)模型圖

圖5 1301 工作面輔運(yùn)順槽支護(hù)后圍巖應(yīng)力和位移云圖

斷面收縮變形情況如圖6。巷道經(jīng)過(guò)支護(hù)后，頂?shù)装鍑鷰r變形最大位移量減少為439 mm（支護(hù)前為1010 mm），降低了56.6%；兩幫最大位移量為468 mm （支護(hù)前為836 mm），降低了44%。綜上分析，1301 工作面巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖6 巷道支護(hù)后圍巖變形圖

4 結(jié)論

根據(jù)玉溪煤礦地質(zhì)條件，利用FLAC 4.0 分別對(duì)1301 工作面輔運(yùn)順槽圍巖的穩(wěn)定性和變形量進(jìn)行模擬研究，并制定了支護(hù)方案，模擬結(jié)果表明：

（1）支護(hù)方案有效地改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖的承載能力大幅提高。巷道未支護(hù)時(shí)，頂板與兩幫水平應(yīng)力集中區(qū)和巷道表面相距較遠(yuǎn)；經(jīng)過(guò)支護(hù)優(yōu)化以后，圍巖應(yīng)力集中區(qū)向巷道表面大幅拉近且明顯減小。

（2）圍巖的塑性破壞性得到有效控制。從模擬結(jié)果分析圖中可得，巷道經(jīng)過(guò)支護(hù)后，圍巖塑性區(qū)分布破壞范圍縮小明顯：頂板減少為1730 mm（支護(hù)前為4392 mm），降低了60.6%；兩幫累積減少為3036 mm（支護(hù)前為8930 mm），降低了66%。

（3）支護(hù)方案顯著地降低了巷道斷面收縮變形。模擬結(jié)果顯示，巷道經(jīng)過(guò)支護(hù)后，斷面變形降低效果明顯：頂?shù)装鍑鷰r變形最大位移量減少為439 mm（支護(hù)前為1010 mm），降幅達(dá)56.6%；兩幫最大位移量為468 mm （支護(hù)前為836 mm），降幅達(dá)44%。