采空區下近距離煤層巷道支護設計

康蟬龍， 劇錦茂

（1.山西中鋼煤業有限公司， 山西 呂梁 033400； 2.太原理工大學， 山西 太原 030024）

1 研究背景

金達煤業三采區新掘巷道大部分位于9號煤采空區下方，且9號煤采空區不規則，與下部煤層之間的間距變化較大[1]，為了保證生產安全[2]，使大巷在保持圍巖穩定性的前提下滿足大巷服務年限的要求[2]，有必要對三采區大巷的支護技術進行研究，以確定大巷合理的支護參數[4]，給出巷道圍巖控制技術[5]，保證巷道正常安全使用[6]，減少支護成本、提高掘進速度[7]。

2 三采區大巷數值模擬模型的建立

數值模擬采用FLAC-3D計算軟件，金達煤業三采區運輸和軌道大巷沿11號底板煤層布置，回風大巷沿11號煤層頂板布置，三條大巷均為矩形斷面，大巷之間及與工作面之間的保護煤柱寬度為30m。運輸大巷掘進斷面尺寸為4 600 mm×2 600 mm；軌道大巷掘進斷面尺寸為4 600 mm×2 800 mm；回風大巷掘進斷面尺寸為3 900 mm×2 800 mm。依據井田內的地質鉆孔柱狀，結合井下實際揭露情況，三采區大巷頂板主要由泥巖、粉砂質泥巖組成，底板主要由泥巖、砂質泥巖、組成。本次數值模在以上地質力學條件的基礎上，研究三采區大巷錨固參數及錨固效果。

根據工作面的實際開采條件以及建模的要求，設置模型尺寸為長×寬×高=120 m×100 m×70 m。模型四個側面為水平固定邊界，底部為固定邊界，模型共劃分215 040個單元，230 265個節點。模擬時順槽埋藏深度按三采區11號煤層最大埋深考慮，取280 m。上覆巖層的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。三采區大巷數值分析模型見圖1，模型邊界條件示意圖見圖2。

圖1 三采區三條大巷數值分析三維模型

圖2 模型邊界條件示意圖

3 模擬過程

在已經賦值平衡模型的基礎上，首先模擬9號煤采空之后的煤層頂底板穩定情況，9號煤層開挖完成之后開挖三采區大巷，開挖的同時按照設計方案對巷道進行支護，開挖完成之后運行至模型平衡。本次數值模擬研究的對象為大巷圍巖的破壞情況及圍巖穩定性，為了更加符合實際條件，提高分析的準確性，對大巷兩側10 m和頂底板10 m的范圍內的網格進行加密。

大巷支護效果模擬主要是為了研究三采區大巷圍巖屈服破壞情況、垂直及水平應力分布情況、巷道兩幫及頂底板變形位移情況等，從而驗證支護方案的合理性，為三采區大巷的支護參數設計提供依據。

4 三采區大巷數值模擬方案

三采區運輸大巷掘進斷面尺寸為4 600 mm×2 600 mm；三采區軌道大巷掘進斷面尺寸為4 600×2 800 mm；三采區回風大巷掘進斷面尺寸為3 900 mm×2 800 mm。依據礦方實際情況及理論計算結果，三采區運輸、軌道大巷頂板錨索選用Φ17.8 mm×6 300 mm七股鋼絞線錨索；三采區回風大巷頂板選用Φ17.8 mm×5 300 mm七股鋼絞線錨索。因此，模擬過程對于錨索長度不再提其他方案。根據金達煤業三采區地質力學條件，采用工程類比、理論計算并結合數值模擬排除不合理的支護方案，選出符合金達煤業三采區11號煤層地質力學條件的三條大巷最優支護方案，具體方案見表1。

表1 大巷錨桿（索）支護參數模擬方案

5 9號煤采空對三采區大巷的影響

由前文分析可知，三采區大巷布置于9號煤采空區下方，礦井三采區9號煤層部分采空，受9號煤采動影響和9號煤煤柱的影響，9號煤底板受到破壞。本次數值模擬對9號煤部分開挖，用于模擬9號煤采空。由模擬結果可以看出，9號煤前期被不規則采空，但9號煤底板破壞范圍很小，對下層煤的影響很小，對三采區大巷的穩定性影響較小。

6 三采區大巷支護效果數值模擬分析

本次數值模擬分析三采區運輸及軌道大巷、回風大巷圍巖的塑性分布、應力和位移分布情況以及巷道的的穩定性。圖3—圖6所示為三采區大巷使用設計支護方案時，三條大巷的塑性破壞區、應力分布、位移分布圖，圖中從左至右依次為三采區回風大巷、運輸大巷、軌道大巷。

由圖3可以看出，三條大巷巷道表面的塑性破壞深度都比較小，均小于錨桿的錨固長度，巷道能維持穩定。左邊回風大巷，由于其沿煤層頂板布置，頂板為完整性比較好的巖層，所以其巷道頂板破壞范圍很小，幾乎沒有發生塑性破壞；其巷幫破壞范圍在0～0.5 m之間；巷道底板為11號煤層，強度較低，巷道發生深度約為約1.0 m的塑性破壞。右側的運輸大巷和軌道大巷兩幫和頂板發生深度約為0.5 m的塑性破壞。整體來說三條大巷塑性破壞范圍較小，能滿足巷道穩定性要求。

由圖4可以看出，左側回風大巷頂板錨桿錨固范圍內的垂直應力為8.6 MPa，錨索錨固區的垂直應力為6.1 MPa，巷道的垂直應力在巷道頂板和兩幫較為集中，約為9.5 MPa。運輸大巷的垂直應力主要集中于巷道頂板，頂板壓力為17.4 MPa，應力集中系數為2.9，巷道兩幫錨桿錨固區內應力約為9.9 MPa，應力集中系數為1.7。軌道大巷的兩幫垂直應力為10.5MPa，應力集中系數為1.77。圖5所示為三條大巷的垂直位移分布圖。由圖6可以看出，大巷內由于錨索的錨固作用，錨固區內的巖層發生輕微的移動，下沉量為5～8mm，軌道順槽內頂板中央的下沉量較大。

圖3 大巷圍巖破壞情況

圖4 大巷垂直應力分布情況

圖5 大巷垂直位移情況

圖6 大巷水平位移情況

模型穩定時三條大巷的位移量見表2。

表2 巷道圍巖位移計算結果 mm

7 結論

通過數值模擬并對模擬結果進行分析可知，采用該設計支護方案時，大巷圍巖整體塑性破壞范圍較小，垂直應力主要集中于運輸巷道頂板，應力集中系數為2.9，頂板最大下沉量5～8 mm。三條巷道表面位移量均較小，能滿足巷道的正常使用。