8603 工作面回采巷道支護方案優化及數值模擬

張一飛

（山西大同煤礦集團有限公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

隨著煤礦開采深度的增加，巷道所處的環境越來越復雜，圍巖變形程度也越來越大，返修率越來越高，能否有效解決這些問題關系到深部煤礦的安全高效生產[1-2]。基于已有研究，結合同煤集團煤峪口礦406 盤區8605 工作面-900 m 回采巷道的工程實際[3]，總結了深部軟巖巷道在采用現有支護方案下的破壞特征[4]，提出了采用中空注漿錨索進行補強支護。并采用FLAC3D分析了錨網索支護以及中空注漿錨索支護方案下巷道圍巖的位移量、垂直應力和水平應力的分布特征，確定了煤峪口礦深部軟巖巷道的最佳支護方式，給出了最佳支護參數，以期為同類巷道圍巖控制問題提供一條切實可行的技術方案。

1 工程概況

406 盤區8605 工作面北部為已回采的8603 工作面，南部為已回采的8607 工作面，西部為408東部盤區巷，東部為404 盤區巷。工作面埋深超過800 m，設計可采走向長度1986 m，傾斜長172 m，主采煤層為14-2#煤層，煤層傾角為8°，煤層平均厚度6.2 m，平均采高為3 m。煤層頂板為2 m 厚的砂質泥巖和4.5 m 后的泥巖，底板為7.25 m 厚的砂質泥巖。

2 工作面回采巷支護概況

2.1 支護現狀

回采巷道斷面形狀為矩形，尺寸4.0 m×3.0 m，支護方式為錨網索聯合支護。巷道頂板和兩幫均采用22 mm×2200 mm 的等強螺紋錨桿，間排距為800 mm×800 mm。頂板用17.8 mm×6000 mm 高強度高延伸率預應力鋼絞線，間排距1600 mm×1600 mm。

在原支護方案條件下巷道圍巖收斂變形量大，圍巖控制困難，變形速度快，返修率高。巷道圍巖在高應力的作用下，破碎嚴重，出現較多裂隙，嚴重影響了該礦的正常生產工作。

2.2 優化支護方案

針對原支護方案存在的問題，提出采用錨網索支護+中空注漿錨索聯合支護的方案，采用中空注漿錨索進行補強支護。依據8605 工作面的實際工程地質條件，綜合運用理論計算和工程類比等手段，對原支護方案進行優化。中空注漿錨索具體優化參數如下：中空注漿錨索布置在兩排錨桿中間位置處，直徑為22 mm，長6000 mm，每根錨索配4卷MSK2835 錨固劑，錨索預緊力應大于110 kN，間排距為1600 mm×2400 mm。優化后的巷道斷面支護圖如圖1。

圖1 優化支護設計斷面圖

3 巷道支護方案的數值模擬對比

為了解中空注漿錨索支護技術適應性，采用FLAC3D數值模擬軟件對比分析煤峪口礦原錨網索支護同新型中空注漿錨索支護條件下回采巷道圍巖活動規律。

3.1 數值模型

以406 盤區8605 工作面的回采巷道為研究對象，建立數值模型，利用FLAC3D進行開挖及運算。模型尺寸為400 m×300 m×100 m，劃分為46 860個單元，52 640個節點。選用摩爾庫倫作為本構模型，四周邊界施加位移約束，下邊界固定，上部邊界施加垂直載荷，水平兩側側壓力系數取1.4。上下回采巷道同時掘進，推進5 m，施加一次支護，開挖支護到y 方向50 m，一次推進到y 方向邊界位置；然后以5 m 一個步距對煤層進行回采，回采到y 方向50 m，一次回采到y 方向邊界位置。

3.2 數值模擬分析

（1）巷道圍巖位移

采用FLAC3D數值模擬軟件對其施加原錨網索支護方案以及優化中空注漿錨索補強支護方案，對比兩種支護方案下的巷道位移分布特征。選取兩種支護條件下距回采巷道同一距離處巷道的剖面圖進行對比分析。兩種支護方案下巷道的圍巖位移特征如圖2。

圖2 巷道圍巖位移分布圖

由圖2 可知，在兩種支護方案條件下，巷道周邊圍巖位移呈非對稱性分布，巷道左側位移量大于右側位移量，巷道頂板圍巖位移量大于底板位移量。在原方案支護條件下，巷道圍巖最大位移位置為巷道頂板及左上幫，頂板最大位移量為201 mm，兩幫最大位移量為240 mm；優化支護方案下，巷道圍巖最大位移位置為巷道頂板及左上幫，頂板最大位移量為148 mm，兩幫最大位移量為160 mm。通過對比可知，采用優化方案，對回采巷道采用中空注漿錨索補強支護后，巷道圍巖的頂板和兩幫圍巖位移量大大降低，頂板和兩幫位移量分別下降了26.6%、33.4%。

（2）巷道圍巖應力

采用FLAC3D數值模擬軟件對其施加原錨網索支護方案以及優化中空注漿錨索補強支護方案，對比兩種支護方案下的巷道應力分布特征。選取兩種支護條件下距回采巷道同一距離處巷道的剖面圖進行對比分析。兩種支護方案下巷道的圍巖水平應力以及垂直應力分布特征如圖3、圖4。

由圖3 可知，兩種支護方案條件下，巷道周邊頂底板圍巖水平應力呈非對稱性分布，兩幫應力分布較均勻。兩種支護方案下，巷道最大水平應力均分布在巷道頂底板深部位置處，巷道兩幫圍巖的水平應力明顯小于頂底板圍巖應力。優化方案下，巷道最大水平應力達到了27.3 MPa，原支護方案條件下最大水平應力達到了28.0 MPa，可知優化方案的圍巖應力集中程度小于采用原支護方案應力集中程度。采用優化方案時，圍巖的水平應力小于采用原方案的水平應力，且優化方案的圍巖水平應力分布更加均勻。

圖3 巷道水平應力分布圖

由圖4 可知，兩種支護方案條件下，巷道周邊頂底板圍巖垂直應力分布比較均勻。兩種支護方案下，巷道最大垂直應力均分布在巷道兩幫深部位置處。優化方案下，巷道最大垂直應力達24.7 MPa，原支護方案條件下最大垂直應力達25.4 MPa，可知優化方案的圍巖應力集中程度小于采用原支護方案應力集中程度。綜上所述：采用優化方案時，圍巖的垂直應力小于采用原方案的垂直應力，且優化方案的圍巖垂直應力分布更加均勻。

圖4 巷道垂直應力分布圖

4 現場監測

在對8605 回采巷道實施優化支護方案后，對巷道圍巖的變形進行現場監測，包括其巷道兩幫和頂底板位移量隨時間的變化關系，如圖5。由圖可知，采用優化方案后，巷道兩幫和頂底板移近量隨著時間的增加不斷增加，剛開始增加較快，到30 d 左右時，逐漸趨于穩定。原支護方案條件下，巷道兩幫及頂底板平均位移量分別為1136 mm、966 mm；優化支護方案條件下，巷道兩幫及頂底板平均位移量分別為266 mm、236 mm。優化后支護方案的巷道兩幫及頂底板的位移量分別相比于原方案減小了76.6%、75.4%。由此可知，采用優化支護方案后，巷道圍巖變形得到有效控制。

圖5 巷道圍巖位移隨時間變化曲線

5 結論

（1）針對煤峪口礦406 盤區8605 工作面的地質條件，提出了深部軟巖回采巷道全斷面中空注漿錨索支護技術，該技術能夠保證巷道的穩定性和礦井安全生產。

（2）通過數字模擬分析了兩種支護方案下巷道的位移特征以及應力分布特征，證明了所提支護方案的可靠性，能夠有效控制巷道位移收斂量以及應力集中程度。

（3）在對8605 回采巷道實施優化支護方案后，巷道兩幫及頂底板位移量均得到有效控制。優化后支護方案的巷道兩幫及頂底板的位移量分別相比于原方案的巷道兩幫及頂底板的位移量減小了76.6%、75.4%。