王莊煤礦8105孤島工作面巷道支護參數(shù)數(shù)值模擬分析

丁 超

(潞安礦業(yè)集團公司 總調(diào)度室，山西 長治 046204)

目前王莊煤礦井田范圍內(nèi)存在一定數(shù)量的孤島工作面，隨著礦井生產(chǎn)的不斷推進，礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件的不斷惡化，如何改善孤島工作面巷道的維護效果，實現(xiàn)安全開采，對礦井的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。8105工作面位于王莊煤礦81采區(qū)，主采二疊系3號煤層，煤層厚度6.5 m，工作面北部、南部分別為8103工作面采空區(qū)和8106工作面采空區(qū)，8105工作面運巷設計斷面為5 m×3.2 m，巷道一側(cè)為實體煤幫，另一側(cè)為8103采空區(qū)，8105工作面運巷與8103采空區(qū)留設7 m寬區(qū)段煤柱。綜合考慮錨桿對圍巖的支護強度以及本礦井其他巷道的支護經(jīng)驗，巷道頂板和兩幫擬采用D22 mm的全螺紋鋼錨桿進行支護。為了確保掘進階段和回采階段巷道圍巖的穩(wěn)定，必須選擇合理有效的巷道支護參數(shù)，因此，本文基于FLAC3D數(shù)值軟件，對8105運巷的錨桿支護動態(tài)進行模擬分析，以選取最優(yōu)的巷道支護參數(shù)。

1 模型建立及巷道支護方案

為了研究8103臨近工作面采空區(qū)的側(cè)向支承應力對8105工作面運巷的影響規(guī)律，利用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值模擬模型，模擬分析8105工作面運巷在不同支護方案下(表1)的巷道圍巖變形情況，以確定合理的支護方案。數(shù)值模擬過程如下：先開挖臨近工作面并計算平衡，再開挖8105工作面運巷，并進行錨桿(索)支護計算至平衡，再開挖本區(qū)段8105工作面并計算至平衡。

表1 巷道支護方案

注：頂板錨索采用規(guī)格為D18.9 mm、L8 300 mm的19股鋼絞線錨索，兩幫選用規(guī)格為D18.9 mm、L4 300 mm的19股鋼絞線錨索。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 巷道掘進階段數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬得到8105工作面運巷掘巷期間不同支護方案下巷道圍巖垂直位移和水平位移變化情況，見圖1。

由圖1可以看出，隨著巷道頂板及兩幫錨索、錨桿間排距的逐漸減小，即由支護方案1改變到方案3，巷道支護強度逐漸增加，巷道頂板及兩幫圍巖變形量逐漸減小，分別減小約102 mm和215 mm，變化明顯。而由方案3改變到方案5，巷道頂板及兩幫圍巖變形量變化幅度較小，方案4和方案5相比基本無變化。從圍巖承載能力與經(jīng)濟效益出發(fā)，確定選擇方案3可以滿足要求。

圖1 掘進期間不同支護方案巷道位移變化曲線

2.2 回采階段數(shù)值模擬結(jié)果分析

8105工作面回采期間不同支護方案下巷道圍巖垂直位移和水平位移模擬結(jié)果，見圖2。

圖2 回采期間不同支護方案巷道位移變化曲線

由圖2可知，不同錨桿支護參數(shù)下巷道圍巖變形量有較大差別，變化范圍較大。支護參數(shù)由方案1改變到方案3，支護強度逐漸增加，巷道底鼓量、頂板下沉量和兩幫移近量明顯減小，巷道底鼓量、頂板下沉量、頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e減小96 mm、138 mm、234 mm和105 mm，巷道頂?shù)装逡平看蠓冉档停瑫r巷道兩幫移近量明顯減小。方案3與方案5相比較，巷道圍巖變形量變化幅度較小，同時考慮圍巖錨固體的承載能力和經(jīng)濟效益，綜合考慮選擇錨桿支護方案為方案3。

3 巷道錨桿支護參數(shù)的確定

根據(jù)模擬結(jié)果，最終確定8105運輸巷的支護參數(shù)選擇方案3，支護示意見圖3。

圖3 8105工作面運巷支護示意(mm)

頂板支護：每排采用D22 mm、L2 400 mm的HRB-335高強度螺紋鋼錨桿7根，除窄煤柱幫側(cè)兩根錨桿間距為500 mm外，其余均為800 mm，排距為800 mm，頂角錨桿距幫250 mm傾斜15°打設；采用樹脂藥卷加長錨固，錨固長度為1 500 mm，鋪設金屬網(wǎng)和D14 mm圓鋼焊制的規(guī)格為4 700 mm×80 mm的雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×10 mm的托板；同時打設2根間距為2 000 mm、排距800 mm的D18.9 mm、L8 300 mm的預應力錨索加強支護，采用D14 mm圓鋼焊制的規(guī)格為2 200 mm×80 mm的雙筋雙梁鋼筋梯子梁橫向連接，配套鎖具、調(diào)心球墊。

兩幫支護：采用D22 mm、L2 000 mm的HRB-335高強螺紋鋼錨桿，窄煤柱幫每排打設5根，間排距為700 mm×800 mm，實煤體幫打設4根，間排距為900 mm×800 mm，幫頂角錨桿向頂板傾斜15°打設，幫底角錨桿向底板傾斜15°打設；采用樹脂藥卷加長錨固，每根錨桿采用Z2335、Z2360型藥卷各一支，錨固長度為1 200 mm，鋪設金屬網(wǎng)和D14 mm圓鋼焊制的3 000 mm×80 mm雙筋雙梁鋼筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×10 mm的托板；同時打設兩根D18.9 mm、L4 300 mm的預應力錨索加強支護，錨索間排距1 200 mm×1 600 mm，用D14 mm圓鋼焊制的3 400 mm×80 mm雙筋雙梁鋼筋梯子梁沿巷道縱向連接，每根錨索配套使用一塊規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm、拱高不得低于60 mm的托板，配套鎖具、調(diào)心球墊。

4 現(xiàn)場應用效果

8105運巷采用上述方案支護后，為了驗證巷道支護方法選擇的合理與否，在實際掘進過程中，對巷道圍巖進行了礦壓觀測。結(jié)果表明，隨著監(jiān)測天數(shù)的增長，即距離掘進迎頭距離的增加，巷道頂板下沉量最大值約為130 mm，底鼓量約為125 mm，兩幫移近量約為325 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果比較接近，巷道整體變形量在預計范圍內(nèi)，且巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。隨著巷道掘進，巷道支護錨桿錨索受力逐漸增大并趨于穩(wěn)定，其中煤柱幫的受力明顯高于實體煤幫的錨桿受力。通過模擬計算，8105工作面選擇合適的巷道支護方法，可以節(jié)省巷道返修成本2 780元/m，并且大大提高了巷道掘進效率。