工作面回采巷道支護(hù)優(yōu)化及數(shù)值模擬分析

郝 龍

（西山煤電集團(tuán)安全監(jiān)督檢查中心，山西 太原 030053）

引言

工作面回采巷道推進(jìn)過程中極易因圍巖應(yīng)力的改變而發(fā)生塑性變形，造成支護(hù)設(shè)施破壞甚至巷道形變，這對(duì)煤炭資源運(yùn)輸、通風(fēng)及煤礦工作人員的通行都帶來了極大的影響，甚至造成安全隱患。因此對(duì)巷道的合理支護(hù)方案設(shè)計(jì)，可極大地避免巷道的多次維修或因變形過大失去使用價(jià)值，對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)有極大推進(jìn)作用。

1 某礦3102 工作面概況

某礦位于山西省晉中市平遙縣內(nèi)，井田面積14.23 km2，可采煤炭?jī)?chǔ)量1.2 億t，其井下3102、3103工作面主采3 號(hào)煤層，平均埋深320 m，煤層地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，煤厚平均4.2 m，近水平煤層，煤體容重1.42 t/m3，普氏系數(shù)0.6。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性基本情況

某礦3102 工作面回采巷道為矩形，斷面尺寸寬×高=4 000 mm×3 200 mm。巷道沿煤層底板掘進(jìn)，支護(hù)方式為錨桿錨索支護(hù)，優(yōu)化前支護(hù)斷面如圖1 所示。錨桿長(zhǎng)2 400 mm、直徑18 mm，間距為800 mm。采用螺紋鋼錨桿支護(hù)，頂部懸掛3 根預(yù)應(yīng)力錨索，長(zhǎng)度6 200 mm、直徑16 mm，間距1 600 mm。在3102 工作面正?；夭晒こ讨校摶夭上锏雷冃握w較為嚴(yán)重，表面巖體破碎甚至脫離，經(jīng)鋪設(shè)錨網(wǎng)加固及木垛支撐，仍未得到有效改善?，F(xiàn)決定對(duì)現(xiàn)有支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，為3103 工作面回采巷道的支護(hù)提供參考。

圖1 優(yōu)化前3102 工作面回采巷道支護(hù)情況簡(jiǎn)圖（單位：mm）

2 巷道破壞原因及支護(hù)優(yōu)化方案

2.1 變形原因分析

1）從巖性方面考慮，由于3102 工作面直接頂直接底巖石硬度較低，且裂隙較為發(fā)育，3 號(hào)煤普氏系數(shù)為0.6，煤質(zhì)松軟，因此具有“三軟”特征，該巷道極大的不穩(wěn)定性容易在采動(dòng)下發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致支護(hù)設(shè)施失效。

2）從現(xiàn)有支護(hù)上考慮，錨桿錨索長(zhǎng)度較短，均未錨固至基本頂內(nèi)，未能將上覆巖層統(tǒng)一錨固成整體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致支護(hù)效果較差，且支護(hù)方式單一，未鋪設(shè)錨網(wǎng)及錨噴等解決回采巷道片幫、頂板冒落等問題，因此不能滿足穩(wěn)定性要求。

3）由于采動(dòng)過程的影響，且圍巖水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，造成錨桿經(jīng)常發(fā)生剪切破壞，錨索也因超過抗拉強(qiáng)度而造成拉斷破壞。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，巷道破壞又以中部擠壓變形、片幫及矩形幫角破壞為主，隨著回采工作的進(jìn)行，巷道變形及片幫問題越來越嚴(yán)重，甚至影響到工作面正常供風(fēng)及煤炭資源的輸送問題。因此該回采巷道支護(hù)方式選用不合理，急需進(jìn)行優(yōu)化[1]。

2.2 支護(hù)優(yōu)化

總結(jié)3102 回采工作面失敗支護(hù)案例，對(duì)3103 工作面進(jìn)行支護(hù)方案優(yōu)化，從選材與支護(hù)方式上作出調(diào)整：

1）依據(jù)錨桿錨索在較大剪切應(yīng)力及錨索在抗拉強(qiáng)度下的破斷情況，需對(duì)支護(hù)材質(zhì)作出相應(yīng)調(diào)整，可適當(dāng)增大3103 回采工作面支護(hù)設(shè)施的直徑及長(zhǎng)度，錨桿錨索直徑的增大直觀上其支護(hù)強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度會(huì)顯著得到提升，長(zhǎng)度增大可將錨固范圍提升至更深更穩(wěn)定的巖層內(nèi)，提高整體巖層穩(wěn)定性及錨桿錨索的承載能力[2]。經(jīng)分析得出，錨桿直徑由18mm增至22mm，長(zhǎng)度由2 400 mm 增至2 600 mm；錨索直徑從16 mm增至20 mm，長(zhǎng)度從6 200 mm 增至8 000 mm，打入基本頂內(nèi)。

2）支護(hù)方式上有所變動(dòng)。根據(jù)巷道幫角處易破斷機(jī)理，在矩形回采巷道兩頂角處錨桿分別偏移14°與20°，其中頂部錨桿由之前垂直錨固向兩側(cè)偏移20°，端部錨桿向上偏移14°，以確保幫角的穩(wěn)定性。依據(jù)3102 回采巷道在采動(dòng)過程中的片幫及巖體破碎問題，決定在3103 回采巷道鋪設(shè)一層錨網(wǎng)（8 號(hào)菱形金屬網(wǎng)）并在其頂部由錨桿錨索加以固定，具體布置如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后3103 工作面回采巷道支護(hù)情況簡(jiǎn)圖（單位：mm）

3 數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

根據(jù)該礦井田地質(zhì)條件及煤層賦存特征建立3103 工作面回采巷道模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過3102 工作面回采巷道實(shí)際勘測(cè)數(shù)據(jù)與3103 工作面回采巷道模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，在兩個(gè)回采巷道內(nèi)布置20 個(gè)測(cè)點(diǎn)，3102 工作面實(shí)際回采巷道頂板6 個(gè)，3103工作面模擬回采巷道頂板6 個(gè)，3102 工作面回采巷道兩幫與底板各布置2 個(gè)，3103 工作面回采巷道兩幫及底板布置與其相同。通過監(jiān)測(cè)巷道圍巖的應(yīng)力大小及變形情況來分析比較兩支護(hù)方案在不同支護(hù)方式下的優(yōu)劣性，對(duì)其監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)值分析

巷道在采動(dòng)影響下其原有的應(yīng)力場(chǎng)平衡遭到破壞，使應(yīng)力發(fā)生重新分布，圍巖本身的支撐能力也會(huì)受到影響導(dǎo)致巷道整體發(fā)生變形或片幫及頂板冒落等災(zāi)害，而由于兩巷道不同的支護(hù)參數(shù)，因此對(duì)采動(dòng)應(yīng)力的預(yù)防削弱效果也產(chǎn)生了較大差異。經(jīng)過對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)算的不同支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力分布如圖3 所示。

由圖3 可以看出，水平剪切應(yīng)力在回采巷道幫部形成卸壓區(qū)，且上幫為下幫的2 倍左右，在回采巷道頂部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，底部也出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對(duì)頂部較弱；而垂直應(yīng)力方面則在兩幫出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，依然是上幫集中程度大于下幫，而頂部和底部成為卸壓區(qū)域，兩者的面積基本相同。

圖3 巷道圍巖應(yīng)力圖示

現(xiàn)分析兩種支護(hù)方式下的回采巷道水平應(yīng)力情況，如圖4-1 所示。水平剪切應(yīng)力在巷道錨桿末端也就是2.4 m 處開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在原3102 工作面回采巷道的支護(hù)方案下其壓力顯示為25 MPa 左右的數(shù)值，而新的支護(hù)方案下可以看出應(yīng)力值得到明顯下降，大概為20 MPa，并隨著深度的增加，數(shù)值在不斷減小。在超出錨桿錨固范圍之后兩種方案都處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，新支護(hù)方案水平應(yīng)力減小了4 MPa 左右，優(yōu)化效果較為明顯。而兩種支護(hù)方式下的回采巷道垂直應(yīng)力情況，如圖4-2 所示。雖然兩種支護(hù)方式在垂直方向上都有卸壓能力，但明顯可以看出3103工作面回采巷道的卸壓能力要高于3102 巷道，這一數(shù)值最大達(dá)到了3 MPa[3]。由此可以看出，在優(yōu)化支護(hù)材質(zhì)及支護(hù)方式下，巷道的穩(wěn)定性得到了顯著提升，這對(duì)提高煤礦巷道支護(hù)效率、節(jié)省支護(hù)成本有重大意義，也減低了煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及維修工人數(shù)量。

圖4 回采巷道應(yīng)力分布圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)論

經(jīng)過對(duì)比原3102 工作面回采巷道與支護(hù)優(yōu)化后的3103 工作面回采巷道圍巖應(yīng)力方面的差異，可以明顯看出在水平應(yīng)力方面優(yōu)化后的支護(hù)方式降低了4 MPa，在垂直應(yīng)力方面這一優(yōu)勢(shì)也依然存在，最大應(yīng)力降低程度達(dá)到了3 MPa。模擬巷道的變形量較小，基本可以保證回采工作的順利完成，起到回采巷道輸送物料、人員的作用。且由于錨網(wǎng)鋪設(shè)，不會(huì)造成片幫或頂板巖體冒落現(xiàn)象的發(fā)生，整體圍巖及頂板較為穩(wěn)定。因此，優(yōu)化后的支護(hù)方式有著顯著的支護(hù)優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用到3103 工作面回采巷道的實(shí)際支護(hù)當(dāng)中。因此對(duì)比原本的支護(hù)方式，增加錨桿錨索的直徑與長(zhǎng)度，在易片幫頂板鋪設(shè)錨網(wǎng)，可以很好地達(dá)到增加巷道穩(wěn)定性的效果。

4 結(jié)語

通過對(duì)3102 工作面回采巷道變形原因進(jìn)行分析研究，對(duì)3103 工作面回采巷道進(jìn)行了支護(hù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)并對(duì)兩巷道的維護(hù)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析比較。結(jié)果表明，采用支護(hù)材質(zhì)及支護(hù)方式優(yōu)化后的3103 工作面回采巷道在支護(hù)強(qiáng)度上明顯優(yōu)于原支護(hù)方式的3102 工作面回采巷道。優(yōu)化后的回采巷道在采動(dòng)過程中能夠確保其正常使用，這對(duì)巷道圍巖控制及提高巷道有效使用率，保障巷道安全及回采工作面正常開采工作有重大意義。在理論上、實(shí)際生產(chǎn)中都是一項(xiàng)重大突破，對(duì)類似巷道的支護(hù)優(yōu)化有極大參考價(jià)值。