工作面回撤巷道圍巖變形規律與支護優化研究

郝 晶

(山西潞安礦業(集團)有限責任公司，山西 長治 046200)

引 言

目前煤礦通過采用一些先進回撤工藝，工作面回撤速度有所提高，但是由于回撤巷道所處位置特殊，仍然給設備回撤帶來較多困難[1-2]。潞安常村煤礦一工作面所處煤層頂底板性質較差，在煤層中布置的回撤巷道由于受到自身掘進和工作面采動影響，巷道變形嚴重，維護困難，嚴重影響綜采設備的快速回撤以及井下人員安全[3-4]。

以潞安常村煤礦回撤巷道為研究背景，通過現場調查、數值模擬方法研究回撤巷道初始支護方案下的圍巖變形與錨桿軸力變化，并根據研究結果提出了相應的支護優化方案，為相似性采礦條件下的回撤巷道支護提供一定的依據。

1 工程背景

潞安常村煤礦位于山西省長治市屯留縣境內，其一工作面埋深350 m，工作面傾斜長度220 m，走向長度725 m，煤層厚度4.5 m，傾角為2°～9°，屬近水平煤層。工作面采用后退式開采，全部垮落法管理頂板。回撤通道由主回撤巷道和輔回撤巷道組成，工作面及巷道布置如圖1所示。主回撤通道與輔回撤巷道長×高=4.0 m×4.0 m，回撤巷道屬于煤巷，布置在煤層中，頂板與底板均留煤0.5 m。

圖1 工作面及巷道布置圖

2 數值模擬分析

采用有限差分軟件FLAC3D，以現場實際情況為研究背景，模擬研究初始支護條件下煤層開采過程中主、輔回撤巷道的頂底板移近量以及頂板錨桿軸力，以及優化支護下主、輔回撤巷道的頂底板移近量以及頂板錨桿、錨索軸力變化。

2.1 模型建立與開挖

運用FLAC3D建立的數值模型尺寸為長×寬×高=150 m×40 m×63.5 m，模型共包括32 982個單元，含有34 862個網絡節點。模型上部為自由邊界，施加7.2 MPa的垂直向下載荷，模型下部設置為固定約束邊界，模型兩側邊界限制水平位移。模型中主、輔回撤巷道均為長×高=4.0 m×4.0 m的矩形巷道，兩巷道之間留20 m煤柱。建立的數值模擬模型如第90頁圖2所示，建立模型所需的物理力學參數如第90頁表1所示。

模型建立完成后，開挖主、輔回撤巷道并進行初始支護，初始支護方案為：主回撤巷道頂板打4根型號為Φ20×2 500 mm的錨桿，兩幫各打4根型號為Φ20×1 800 mm的錨桿，間排距均為0.8 m×0.8 m；輔回撤巷道頂板和打4根型號為Φ20×2 500 mm的錨桿，兩幫各打4根型號為Φ20×1 800 mm的錨桿，間排距均為0.8 m×1.1 m。所用錨桿力學參數，如表2所示。

圖2 數值模擬模型

表1 各巖層物理力學參數

表2 錨桿力學參數

巷道支護完成后，工作面沿走向方向從距主回撤通道80 m位置開始回采，每推進10 m計算平衡一次，共推進50 m，然后每推進5 m計算平衡一次，共推進20 m，最后每推進1 m計算平衡一次，共推進10 m，使工作面與主回撤巷道貫通。

2.2 模擬結果分析

在數值模擬計算過程中，對主、輔回撤巷道的頂底板位移量進行監測，結果如圖3所示。

圖3 主、輔回撤巷道頂底板位移量

由圖3可以得出。隨著工作面向回撤巷道的不斷推進，主回撤巷道的頂底板位移量越來越大，當工作面與主回撤巷道貫通時，主回撤巷道頂底板位移量達到了600 mm，變形量較大，可利用空間較小，將會影響到設備回撤的速度甚至危及井下人員安全。由于主、輔回撤巷道之間煤柱的保護作用，隨著工作面的推進，超前支承應力對輔回撤巷道產生的影響比較小，頂底板位移量變化較小，說明輔回撤巷道處于穩定狀態。

模擬過程中對主、輔回撤巷道的頂板錨桿軸力進行監測，結果如圖4所示。

圖4 主、輔回撤巷道頂板錨桿軸力變化圖

由圖4中可以看出。隨著工作面向回撤巷道的不斷推進，主、輔回撤巷道的頂板錨桿軸力逐漸變大，主回撤巷道的頂板錨桿軸力由最初的120 kN增加到了239 kN，軸力增加了100%，錨桿非常容易被拉斷；輔回撤巷道的頂板錨桿由最初的120 kN增加到了160 kN，軸力增加了33.3%，增加幅度較小，說明輔回撤巷道頂板錨桿處于安全狀態。

通過對主、輔回撤巷道初始支護方案模擬得出：主回撤巷道頂底板移近量和頂板錨桿軸力隨著工作面推進變化較大，巷道可用空間較小，將影響設備回撤速度及井下人員安全；輔回撤巷道頂底板移近量和頂板錨桿軸力變化較小，說明輔回撤巷道處于穩定狀態。因此，主回撤巷道支護方案需要進行優化，而輔回撤巷道采用初始支護方案即可[5]。

根據對原支護方案的模擬結果分析，提出主回撤巷道的優化支護方案為：在主回撤巷道頂板兩角處補打2根型號為Φ20 mm×2 500 mm的錨桿，間排距為4.0 m×0.8 m；在頂板補打2根型號為Φ21.8 mm×7 300 mm的鋼絞線錨索，間排距2 m×2 m；對主回撤通道進行加強支護，支護形式為單體液壓支柱加工字鋼梁，液壓支柱額定工作阻力為350 kN，巷道內安設2排支柱，支柱間排距為2.0 m×2.0 m，優化后的主回撤巷道支護方案如第91頁圖5所示。

對優化后的方案進行模擬，監測主回撤巷道頂底板位移量與頂板錨桿、錨索軸力，作第91頁圖6和圖7。

由圖6和圖7中可以看出。主回撤巷道采用優化方案支護后，巷道頂底板位移量從優化前的600 mm減小到350 mm，減小了42%；頂板錨桿軸力從優化前的239 kN減小到160 kN，減小了33%；頂板錨索軸力由40 kN增加到58 kN，增加了45%。

圖5 優化后主回撤巷道支護方案圖

圖6 優化后主回撤巷道頂底板位移量

圖7 優化后主回撤巷道頂板錨桿、錨索軸力變化圖

支護方案優化后，頂底板位移量與錨桿軸力均下降，巷道處于穩定狀態，說明巷道支護方案優化后支護效果明顯。

3 結論

1) 隨著工作面向回撤巷道的不斷推進，主回撤巷道頂底板位移量越來越大，巷道可利用空間較小，將會影響到設備回撤的速度及井下人員安全；輔回撤巷道頂底板位移量變化較小，說明輔回撤巷道處于穩定狀態。主、輔回撤巷道的頂板錨桿軸力逐漸變大，主回撤巷道的頂板錨桿軸力增加100%，錨桿非常容易被拉斷；輔回撤巷道的頂板錨桿軸力增加33.3%，增加幅度較小，說明輔回撤巷道頂板錨桿處于安全狀態。

2) 對主回撤巷道進行優化支護后，主回撤巷道頂底板位移量與錨桿軸力均下降，巷道處于穩定狀態，說明巷道支護方案優化后支護效果明顯。