18204工作面頂板破碎帶巷道支護方法優化

曹志強

（山西省晉神能源河曲開發公司 沙坪煤礦，山西 河曲 0346500）

18204工作面頂板破碎帶巷道支護方法優化

曹志強

（山西省晉神能源河曲開發公司 沙坪煤礦，山西 河曲 0346500）

經對沙坪煤礦18204工作面膠帶運輸巷頂板破碎帶的五種支護方案，進行FLAC3D數值模擬計算，并按周圍礦井支護現狀調查結果，確定最終優選方案，為現場支護方案的選擇和優化提供指導。

頂板破碎帶；巷道支護優化；數值模擬

1 礦井概況

沙坪煤礦的設計生產能力為2.4Mt/a。8號煤層位于山西組地層中部或中下部，下距9號煤層4.07m～16.48m。煤層結構復雜，一般由3個～7個分層組成，含2層～6層夾矸。煤層中部有較穩定的一層夾矸巖性為淺灰色含水鋁石高嶺質粘土巖，厚度0.50m～1m，為粘土礦層。煤層頂板一般為泥巖、粉砂巖或粉質砂巖。底板一般為粘土巖或泥巖，為粘土礦層。

1.1 18204工作面概況

18204綜采工作面為8號煤，地面標高1050 m-1097m，底板標高944.2m～975.5m，上覆基巖和表土層厚度74.5m～152.8m。工作面推進長度1 877m，凈寬300m，煤層可采面積563 179m2，純煤厚度1.9m～3.2m，均厚2.7m，平均傾角3°。

煤層頂板以砂巖為主。偽頂為炭質泥巖、泥巖，灰黑色，疏松易碎，易垮落，厚度0～0.15m，局部發育。直接頂為砂質泥巖，紫雜色，灰綠色，含大量礫石顆粒，下部為粉砂巖，均厚9.4m。老頂為細砂巖，S3砂巖，灰黃色，泥質膠結，已風化成粉狀，具斜層理，均厚28m。

直接底主要為砂質泥巖，灰色泥巖，遇水膨脹發軟，含植物化石，均厚12.6m。老底為中、粗粒砂巖，S2砂巖，灰白色以石英為主，較堅硬，厚層狀，具斜層理，厚度10.50m～8.24m。采用走向長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法。

1.2 膠帶巷支護現狀

1）膠運巷支護概況：18204膠帶運輸巷頂部，采用錨桿+錨索+金屬網聯合支護，見圖1-a。

2）膠運巷頂板破碎帶支護：2010年1月在600m、615m、620m處頂板出現不同程度的裂縫、且范圍較大。故對破碎頂板采取錨桿+鋼筋網聯合支護，見圖1-b。

圖1 18204工作面膠帶運輸巷斷面支護圖

3）膠運巷頂板破碎支護措施：將原巷道寬度5.6m，縮小至5.4m，減小巷道跨度，在過構造破碎帶地段不施工聯巷，嚴控巷道超寬。在此基礎上再進行工字鋼+錨索補強支護，對整個破碎頂板（從工作面到裂隙發育處，即600m的地方）進行初次噴漿封堵，防止風化進一步破碎；同時對整個地質構造帶破碎地帶的巷道進行二次架棚支護。對頂板進行監測，確保支護有效，當頂板下沉超過30mm時，及時采取對圍巖注漿等加固措施。

1.3 周圍礦井支護現狀調查

沙坪礦井田位于河東煤田河曲礦區，緊鄰神東礦區，煤層賦存條件極為相似。因此選擇緊鄰的府谷礦區、保德礦區主要煤礦回采巷道的支護參數進行調查，為沙坪煤礦8號煤層巷道支護方案提供參考[1-6]。

2 18204膠運巷頂板破碎帶巷道支護方法優化

在膠運巷頂板破碎處（600m處）現有支護的基礎上，利用FLAC3D巖土工程數值模擬軟件，對破碎帶巷道進行支護優化[7-8]，主要包括：(1)巷道掘進后，未支護時其變形、破壞力學特征及圍巖移動基本規律；(2)模擬原支護方案，對圍巖及錨桿（索）變形和破壞特征進行研究；(3)對比分析不同方案，優化支護方案，得出合理經濟的支護建議。

2.1 支護數值計算參數

1）巷道破碎頂板支護參數：8號煤上頂、底板巖層參數，膠運巷破碎帶斷面參數，如表1所示。

表1 18204膠帶巷破碎帶斷面特征

2）力學參數：根據地質資料及實驗室巖石力學實驗結果，得出煤層及主要巖層數值計算力學參數如表2所示。

表2 煤巖物理力學參數

3）施加載荷：由于膠運巷埋深范圍在136m左右，故在模型上部施加上部巖層136m垂直向下自重應力：σG=γ·H.

式中：σG為自重應力，MPa；γ 為容重，MN/m3，取均值為0.025MN/m3；H為煤層埋深，m，取136m。

經計算，自重應力大小為：σG=2500×136=3.4 MPa。

研究表明，巷道處于煤層中時，水平應力大小接近垂直應力，故在模擬中施加等效自重應力即可。錨桿（索）力學參數，如表3所示。

2.2 巷道支護數值模擬方案

為較全面研究膠運巷開挖和支護過程的變形、

表3 錨桿(索)參數

破壞規律，數值模擬分為五個方案，見表4。

表4 不同支護方案參數對比

2.3 數值計算模型的建立

建立18204膠運巷頂板破碎帶三維模型，應盡量減小重要區域網格尺寸，以提高準確程度；盡可能保持重要區域網格統一，避免長細比大于5∶1的單元。三維計算模型用Generate命令生成，寬×厚×高=40m×20m×50m。依據頂板裂縫的分布規律，頂板往上的不同層位應設置軟弱夾層。巷道掘進方向沿y軸正方向，用Mohr-Coulomb plasticity model、大應變變形模式；用brick單元模擬煤層及圍巖，模型底部限制垂直移動，施加上部巖層等效載荷，模型前、后、側面限制水平移動；整個模型40000個單元，43911個節點；錨桿（索）支護用cable單元模擬。FLAC3D三維數值計算模型的剖面，見圖2。

2.4 無支護條件下巷道圍巖變形破壞特征

無支護狀態下巷道周邊受到開挖擾動的影響，形成應力降低區，見圖3。頂底板垂直應力釋放明顯，頂板應力基本呈對稱分布。巷道周邊位移量中，頂板位移最大，方向向下；底板及兩幫位移較小，見圖4。頂板最大位移17.85 cm，底板最大位移2.00 cm，兩幫最大位移量為4.02 cm。

圖2 18204膠運巷數值計算模型

圖3 無支護下應力特征

圖4 無支護下位移特征

2.5 錨網（索）聯合支護方案的分析

數值模擬計算的5個方案見圖5，計算結果見圖6～圖8。采用錨網噴支護后，巷道圍巖應力場明顯改善（圖6），支護體增大了巷道周邊圍巖應力場，減小了應力，提高了圍巖承載能力和巷道的穩定性。通過支護方案對比分析，方案1和方案2（圖6（a）和 6（b））巷道周邊應力最大值均大于方案 3（圖6（c））；這說明增加錨桿密度，可提高圍巖的承載能力；前兩個方案的圍巖應力值較接近。

位移特征表明（圖7）：巷道在錨網噴支護下，周邊位移明顯減小，位移分布變化較未支護時均勻。頂板位移從未支護時17.85 cm減小到11.09 cm左右，底板和兩幫位移均減小2 cm。前兩個方案支護效果較第3方案好，特別是破碎頂板位移減小量較為明顯。巷道周邊最大位移量，見表5。

在頂板設置一個監測點，并繪制三種方案的頂板位移曲線，見圖8。曲線顯示隨著計算步驟的推進，監測點在開挖支護后，最終趨于一個穩定值方案1為11.77 cm，方案2為12.17 cm，方案3為13.37 cm。顯示結果同樣，方案1為錨桿布置越密，頂板下沉位移量越小。同時，通過曲線的變化率看出：方案1和方案2在從開挖到支護過程中，頂板下沉位移達到穩定值的速率較快；而方案3則較平緩。根據監測點對比表明，方案1和方案2支護后圍巖較快進入穩定期，且位移量較小。

表5 巷道周邊最大位移量

通過三個錨桿布置方案的對比分析得出：在錨索長度相同時，錨桿布置密度越大，對巷道圍巖的支護效果越好。對方案1和方案2對比分析可知，兩方案對圍巖變形的控制效果較接近，故在經濟合理的支護前提下，采用方案2（錨桿間排距1000 mm）。方案2、方案4、方案5的不同之處在于錨索長度分別為9000mm、8500mm、8000mm，監測點的最終位移分別為12.17 cm、11.76 cm、11.78 cm，三個方案的應力分布云圖較為相似，沒有明顯區別，頂板位移較接近，而且方案5監測點的位移較小；因此應優選方案5。

總之頂板破碎帶采用方案5的支護方式較為合理。并且借鑒周邊礦區礦井的支護參數，確定其錨索長度優化為8 000mm。

圖5 五種支護方案的支護方法

圖6 五種支護方案的應力特征

圖7 五種支護方案的位移特征

3 結論及建議

圖8 五種支護方案頂板監測點的位移變化曲線

（1）數值模擬研究表明：18204膠帶巷頂板破碎帶錨網噴支護后，巷道圍巖應力場分布明顯改善，增加錨桿密度可以提高圍巖的承載能力，并且圍巖較無支護狀態位移量明顯減小，位移分布變化較無支護時均勻。

（2）經對18204膠帶運輸巷頂板破碎帶三種支護方案下，分析其應力特征、位移特征、頂板監測點的數據，方案5較為經濟合理。

[1]張子飛，羅文，潘金.神東礦區錨桿支護技術的應用[J].煤礦開采，2001.4：48-50.

[2]張日晨，梁占耀.保德煤礦巷道破碎帶圍巖控制效果的初步分析[J].中國煤炭，2006(32)3:38-40.

[3]崔振文，竇海江，米新民.康家灘煤礦8#煤層錨索支護分析[J].煤礦現代化，2004.1：19-20.

[4]祁景成.近距離、高應力條件下的煤層巷道支護技術[J].山西煤炭，2010，30(6)：55-56.

M ethod Optim ization of Roadway Supporting in Broken Roof Zone of 18204W orking Face

CAO Zhi-qiang

(Shaping Mine,Hequ Development Co.,Jinshen Energy Group,Hequ Shanxi034650)

There are five supporting schemes for broken roof zones of 18204 working face with belt transportation.Through the FLAC3D numerical simulation on them,the author determines the final optimization scheme on the ground of field investigation to provide guidance for selection and optimization of field supporting.

broken roof zone;roadway supporting optimization;numerical simulation

TD353

A

1672-5050（2011）10-0060-04

2011-06-22

曹志強（1984—），男，寧夏西吉人，助理工程師，從事煤礦生產管理及技術工作。

劉新光