1301 工作面輔運順槽圍巖變形特征及支護效果模擬

李海洋

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214）

隨著礦壓顯現強烈，煤礦巷道支護面臨嚴峻的挑戰[1]。錨桿支護是巷道支護技術中最為經濟、有效的支護技術[2]。針對玉溪煤礦1301 工作面巷道穩定性與圍巖控制方面進行模擬研究分析，研究結果可以為相似礦井的圍巖控制提供借鑒依據和參考價值。

1 概況

玉溪煤礦隸屬于山西蘭花科創集團，位于山西省晉城市沁水煤田南部，劃分為2 個盤區，首采工作面為1301 工作面[3]。

1301 工作面位于井田南部，東西走向布置，所回采的3#煤層采用大采高工藝采掘[4]。3#煤層位于山西組下部，為緩傾斜煤層，傾角小于8°，埋深超過500 m，厚度5.1～7.2 m，平均5.85 m。1301 工作面輔助運輸順槽掘進過程中共揭露3 條褶曲，褶曲軸部地應力明顯增加，層理發育較明顯，需要制定合理有效的支護方案進行巷道圍巖控制。

2 數值模擬

2.1 物理模型

為準確建立1301 工作面輔運順槽在支護前圍巖變形破壞特征的物理模型，運用FLAC 4.0 軟件進行分析。FLAC 4.0 的運算機理是采用顯式有限差分法，利用各節點位移的連續性對機體進行非線性變形分析。根據1301 工作面輔運順槽的地質條件及巷道特征，選擇40 m×30 m 的有效范圍進行網格劃分，網格單元共計20 711 個（長寬尺寸為149×139）。

邊界條件設置：模型上部（即巷道頂部）邊界設定為應力邊界條件（Stress Boundary Condition）；左右側（即巷道兩幫）邊界設定為水平位移約束邊界；下部（即巷道底部）邊界設為垂直位移約束邊界。1301 工作面輔助運輸順槽物理模型如圖1。

圖1 1301 工作面輔助運輸順槽物理模型圖

2.2 模擬結果

FLAC 4.0 為井下巷道的彈塑性分析提供了符合莫爾一庫侖強度理論（Mohr Coulomb theory）的材料模擬巖石介質。故本模擬選取彈塑性材料，運用Mohr-Coulomb 屈服準則對巖體的破壞程度進行判斷，所獲得1301 工作面輔運順槽圍巖（水平、垂直）應力云圖和（水平、垂直）位移云圖如圖2。

1301 工作面輔運順槽圍巖穩定性較差，在未進行支護時，水平應力主要影響巷道頂、底板圍巖，垂直應力主要影響巷道兩幫圍巖。其中兩幫受礦壓影響最為嚴重，兩側疊加最大塑性屈服半徑達到8930 mm；頂板受影響較小，最大塑性屈服半徑僅為兩幫一半，為4392 mm；底板處最大塑性屈服半徑則為6487 mm。

圖3為 1301工作面輔運順槽圍巖四邊變形情況。可以看出巷道受破壞影響范圍較大且運動劇烈：兩幫相對位移最為明顯，左右側累積最大相對移近量602 mm×2=1204 mm；頂板最大下沉量也較大，達841 mm；底板最大底鼓量較小，為169 mm。綜合分析輔助運輸順槽圍巖的變形破壞特征，判定1301工作面輔助運輸順槽屬于Ⅳ類不穩定煤層巷道。

圖2 1301 工作面輔運順槽圍巖應力和位移云圖

3 支護效果數值計算結果分析

根據1301 工作面輔運順槽頂底板和兩幫圍巖變形破壞特征，結合相關案例，對1301 工作面輔運順槽進行錨桿與錨索聯合支護設計，參數見表1。

表1 巷道聯合支護規格

根據上述支護方案，再次建立FLAC 4.0 的數值模型，如圖4。

通過FLAC 4.0 模擬計算，得到1301 工作面輔運順槽圍巖（水平、垂直）應力云圖和（水平、垂直）位移云圖，如圖5。模擬結果顯示，巷道經過支護后，圍巖塑性區分布破壞范圍縮小明顯：頂板減少為1730 mm（支護前為4392 mm），降低了60.6%；兩幫累積減少為3036 mm（支護前為8930 mm），降低了66%。綜上分析，1301 工作面巷道支護參數優化后，圍巖的塑性完整性得到了有效的控制，巷道頂板和兩幫的破壞范圍也明顯降低，如圖5。

圖4 1301 工作面輔運順槽支護模型圖

圖5 1301 工作面輔運順槽支護后圍巖應力和位移云圖

斷面收縮變形情況如圖6。巷道經過支護后，頂底板圍巖變形最大位移量減少為439 mm（支護前為1010 mm），降低了56.6%；兩幫最大位移量為468 mm （支護前為836 mm），降低了44%。綜上分析，1301 工作面巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖6 巷道支護后圍巖變形圖

4 結論

根據玉溪煤礦地質條件，利用FLAC 4.0 分別對1301 工作面輔運順槽圍巖的穩定性和變形量進行模擬研究，并制定了支護方案，模擬結果表明：

（1）支護方案有效地改善了圍巖的應力狀態，圍巖的承載能力大幅提高。巷道未支護時，頂板與兩幫水平應力集中區和巷道表面相距較遠；經過支護優化以后，圍巖應力集中區向巷道表面大幅拉近且明顯減小。

（2）圍巖的塑性破壞性得到有效控制。從模擬結果分析圖中可得，巷道經過支護后，圍巖塑性區分布破壞范圍縮小明顯：頂板減少為1730 mm（支護前為4392 mm），降低了60.6%；兩幫累積減少為3036 mm（支護前為8930 mm），降低了66%。

（3）支護方案顯著地降低了巷道斷面收縮變形。模擬結果顯示，巷道經過支護后，斷面變形降低效果明顯：頂底板圍巖變形最大位移量減少為439 mm（支護前為1010 mm），降幅達56.6%；兩幫最大位移量為468 mm （支護前為836 mm），降幅達44%。