柳塔煤礦22101 工作面圍巖模擬及支護方案分析

丁曉飛

（國家能源集團神東煤炭集團柳塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017205）

1 概況

神東煤炭集團柳塔煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗，現開采22 號煤層。東部盤區的22101-1 工作面為22 煤首采面，長度235 m，工作面回風巷側上方為12 煤12110 綜放工作面采空區，正上方為烏蘭木倫12 煤12209 普采工作面采空區，運順側上方為烏蘭木倫12 煤12207 普采工作面采空區。

22101-1 工作面沿煤層傾斜布置，沿走向推進，沿22 煤底板回采，采用走向長壁后退式采煤法，平均煤厚3.0 m，結構中等，傾角1°～3°。直接頂為1～5.8 m 的粉砂質泥巖，質地較為松軟；基本頂為15.8～20.5 m 的中粒砂巖，泥質膠結；直接底為5.4～13.1 m 的粉砂質泥巖，水平層理及波狀層理發育。

22101-1 工作面主回撤通道2～3 聯巷揭露22F31正斷層（斷層產狀：傾向198°，傾角40°，落差5.1 m）和22F32 正斷層（斷層產狀：傾向6°，傾角40°，落差3.0 m）。兩斷層傾向相對形成寬度約3.2 m 小型地塹，兩斷層疊加后實際落差2.1 m，預計在22101-1 工作面推進至距離主回撤約90 m 時揭露。

2 FLAC3D 數值模擬分析

2.1 模型的建立

為準確預測支護前后巷道圍巖的應力分布和塑性區變化情況，選擇專業巖土分析軟件FLAC3D進行巷道支護的模擬[1-2]。

數值模擬地層示意圖如圖1，模型尺寸設定為50 m×30 m×30 m，共劃分單元體45 000 個，建立節點65 226 個。巷道兩幫的側邊界設置為水平位移，底邊設置為垂直位移，模型上邊界施加 6.8 MPa 荷載，代表上覆巖層重力引起的平均應力。

2.2 模擬過程

為掌握工作面采掘過程中原巖應力擾動及分布的情況，將在建模成功后對模型進行初始化設置。利用 FLAC3D運算步數進行求解過程的控制，存儲不同時間點巷道圍巖水平應力和垂直應力的影響情況，分析巷道圍巖塑性區變化的動態過程。

圖1 22101-1 工作面地層示意圖

2.3 模擬結果

在巷道挖掘初期，巷道圍巖僅部分應力得到釋放，在巷道頂底板、左右兩幫處出現輕微破壞現象。當挖掘模擬進行到200 step 時垂直應力釋放范圍明顯增大，開始對巷道頂板造成破壞，并于巷道兩幫出現應力集中現象，如圖2（a）。當挖掘模擬進行到800 step 時，垂直應力對巷道兩幫的破壞進一步增加，應力釋放面積不斷擴大，垂直應力集中區出現在與巷道兩幫相距1.9 m 的范圍內，如圖2（b）。當挖掘模擬進行到 2000 step 時，巷道圍巖應力釋放趨于穩定，垂直應力對頂板的破壞深度超過2 m 范圍，頂板附近空間的垂直應力在0～3 MPa 之間。

圖2 巷道垂直應力分布圖

根據結果，模擬進行到2000 step 時頂板受垂直應力破壞嚴重，應力集中區逼近巷道兩幫2 m 范圍內，最大垂直應力集中值為12 MPa，應力集中系數1.8。巷道兩幫需要進行支護加固處理，最終圍巖控制效果直接影響到巷道穩定性。

水平應力與垂直應力對圍巖的影響結果相近，當挖掘模擬進行到200 step 時，水平應力對巷道底板圍巖的影響開始出現，如圖3（a）；當挖掘模擬進行到800 step 時，由于巷道為煤巖混合巷道，巷道底板強度高于頂板強度，此時水平應力釋放面積擴大，兩幫的受破壞程度變強，如圖3（b）；當挖掘模擬進行到2000 step 時，巷道兩幫與頂板受水平應力影響變形嚴重，產生1.5 m 的破壞范圍，如圖3（c）。

圖3 巷道水平應力分布圖

在巷道挖掘的初始階段，巷道兩幫和底板主要受壓剪破壞以及拉伸破壞，頂板則受拉、剪應力共同作用下的破壞影響。當挖掘作業小于200 step 時，巷道頂底角處主要受垂直應力和水平應力產生的拉、剪破壞。隨著巷道的挖掘，圍巖塑性破壞向深部轉移。當挖掘模擬進行到2000 step，階段矩形巷道頂角位置出現較大范圍剪切應力，巷道剪應力在巷道頂角位置形成深度約為3.0 m 范圍的剪切塑性區，塑性區強度較小時，存在巷道大面積冒頂等安全隱患。

3 支護方案的確定

根據FLAC3D對工作面巷道圍巖的模擬結果分析，并結合22101-1 綜采工作面頂、底板巖性、煤層厚度及埋深等條件，決定選用 ZY12000/18/35D型雙柱支撐掩護式電液控液壓支架及其配套的端頭支架液壓支架進行支護，移架步距為865 mm，端面距不大于400 mm[3]。

運順掘進時采用錨桿、錨索、冷拔絲網聯合支護，回順掘進時采用錨桿、錨索、冷拔絲網聯合支護，回采時運順采用單體液壓支柱進行超前支護，采空區采用直接垮落法管理頂板[4]。巷道凈寬5.4 m，凈高2.8～3.0 m，每排施工6 根Φ16 mm×2100 mm錨桿，排距為1 m，折算2.22 根/m2；每排施工2根Φ17.8 mm×6500 mm錨索，排距為5 m，折算0.15根/m2。

在充分考慮支護效果和模型精準度后，再利用FLAC3D進行模擬，如圖4。

圖3 聯合支護方案效果圖

模擬結果發現，在錨桿-錨索-冷拔絲網協同支護作用下，巷道圍巖支護應力場應力值在100 kPa（±20 kPa）左右。應力分布方面，巷道頂板垂直應力降高度約為 5.3 m，應力值趨于0.4～1.9 MPa，應力系數降低至0.15～0.79，對頂板的破壞小于1 m；水平應力集中區縮小至0.75 m 處，應力值在0.79～1.4 MPa 之間，改善效果明顯。同時，上述支護方案通過對錨桿長度的增加，使得巷道頂板和兩幫的錨固結構在圍巖部分形成環向錨固體，巷道頂角塑性破壞深度大幅減小，約為1.4 m，降低53.3%，兩幫塑性區深度為 1.8 m，幫錨桿錨固段均在巷道塑性區范圍外，可以確保錨桿支護維持較強的穩定性。

4 結束語

為保證22101-1 工作面順利回采，針對巷道圍巖的應力分布和塑性區變形規律做出了FLAC3D模擬研究。綜合考慮煤層地質特征和企業經營成本等方面，對確定的巷道錨桿-錨索-冷拔絲網聯合支護方案的支護效果進行模擬研究，發現支護后巷道所受水平應力和垂直應力有效降低，塑性區破壞范圍減少53.3%，能夠滿足安全生產的需要。