殘采區回采巷道合理支護技術研究

薛　琦

(山西省呂梁市離石區軍事化礦山救護中隊,山西 離石 033000)

1　研究背景及模型的建立

關嶺山煤礦采用“采底留頂”落后的巷柱式采煤方法開采3號煤層,回采率不及25%,造成了煤炭資源的嚴重浪費[1-2]。因此,對3號煤進行殘煤復采,可提高資源回收利用率,延長礦井服務年限,促進企業可持續發展[3-4]。

根據關嶺山綜合柱狀圖建立長×寬×高=80 m×30 m×48 m的模型,煤層厚度為4.5 m,煤層上方建立5層巖層，煤層下方建立4層巖層。通過做巖石力學實驗,測定各巖層參數。模型邊界條件為:底部固支,限制水平位移和垂直位移,模型四個側面限制水平位移,頂部施加上覆巖層重力,取重力加速度為10 m/s2。模型劃分135 820個單元,132 261個結點,圖1為數值模擬模型圖。

圖1　數值模擬模型圖Fig.1　Analysis model for goaf completeness

巷道沿煤層底板掘進,斷面為矩形,寬4.20 m,高2.65 m,巷道底板為灰黑色砂質泥巖。模型煤柱寬度30 m,巷柱式舊采空區寬6 m,假定采空區全部采空或者垮落,在圍巖破壞情況最為嚴重時,研究破碎圍巖對回采巷道穩定性的影響,其中,回采巷道采用“柔模混凝土+高水材料充填+錨桿+錨索+工字鋼梁”聯合支護。

2　數值模擬方案和模擬過程

回采巷道具體的支護參數為:老空區頂板6根錨桿,長度2 000 mm,錨桿間排距800 mm×1 000 mm,錨固方式為加長錨固;兩根錨索間距為1 600 mm,排距2 000 mm,錨固方式為加長錨固。采用跨長4.8 m的11#工字鋼支護,鋼棚棚距為1 m。

模擬過程可分四步，第一步:建立模型,并提前分組,模型分為12組,將煤層分為5個分組,巷道為hd分組,煤柱為ff分組,采空區為kq分組,高水材料為gs分組,柔?；炷翞閞m分組。計算模型建好后計算初始應力場至平衡。第二步:開挖采空區,并用solve計算到平衡,模擬巷房開采后圍巖因應力的重新分布。第三步:對空區進行“柔?；炷?高水材料充填+錨桿+錨索+工字鋼梁”聯合支護。第四步:計算至平衡,讀取相應圍巖變形量、應力分布情況,塑性區破壞情況,分析圍巖的屈服破壞情況、巷道頂底板移近量、兩幫移近量、垂直應力云圖、水平應力云圖及兩幫應力分布情況最終確定該支護方案的可行性。在整個模擬運算過程中始終監測巷道周圍的變形破碎情況,記錄并存儲每一步運算結果,作為確定支護方案合理的主要依據。本報告僅給出最優支護方案的數值模擬分析結果。

3　巷道圍巖變形破壞分析

圖2示出回采巷道在“柔?；炷?高水材料充填+錨桿+錨索+工字鋼梁”聯合支護時圍巖屈服破壞特征。由圖2可以看出，聯合支護后巷道頂板在工字鋼棚和高水材料充填支護下,沒有出現明顯破壞,兩幫柔模混凝土表面和內部完整性極好。由此可知,采用上述聯合支護后巖層完整性得到了較好的保證,巷道圍巖整體處于穩定狀態。

圖2　支護后圍巖塑性區云圖Fig.2　Nephogram of the plastic zone of the surrounding rock after supporting

4　巷道圍巖垂直應力分析

圖3為巷道圍巖垂直應力云圖,圖4示出采用上述聯合支護時,回采巷道兩幫垂直應力分布曲線。

圖3　支護后圍巖垂直應力云圖Fig.3　Nephogram of the vertical stress of the surrounding rock after supporting

圖4　支護后圍巖垂直應力曲線Fig.4　Curve of the vertical stress of the surrounding rock after supporting

從圖中可以看出,巷道頂板高水材料充填范圍內承受較小拉應力,約為0.074 MPa,老空區頂板上方巖層承受壓應力,在0 m～7 m范圍內應力值大小范圍在1 MPa～4.5 MPa,兩幫垂直應力基本呈對稱分布,柔模混凝土主要承受拉應力,但應力較小,巷幫內部0.8 m的巖層承受壓應力,壓應力值隨著距巷幫距離增加而增加,在5 m～6 m處達到峰值,最大值為9.16 MPa,應力集中系數為1.88,巷幫內部0 m～5 m為應力增高區。

5　回采巷道圍巖位移特征

分析回采巷道采用“柔?；炷?高水材料充填+錨桿+錨索+工字鋼梁”聯合支護時,巷道圍巖的垂直位移和水平特征。圖5示出在回采巷道采用上述聯合支護時,巷道圍巖水平位移和垂直位移分布云圖。從圖中可以看出,回采巷道采用上述聯合支護后,巷道頂板高水材料充填范圍內,變形較小,支護效果明顯,兩幫柔模混凝土支護范圍內未發生明顯位移,巷幫內部最大移近量位于老空區巷道兩幫的中部,相對移近量為8cm,故采

用所選支護方案后，回采巷道的穩定性較好,能夠滿足安全生產的需要。

5-a　水平位移

5-b　垂直位移圖5　支護后圍巖位移云圖Fig.5　Nephogram of the displacement of the surrounding rock after supporting