沿空留巷圍巖支護優化研究

王 卓

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046000）

隨著我國經濟的快速發展，我國對能源的需求量呈現穩中有升態勢，而在我國眾多的能源形式中，煤炭資源無疑是我國能源的中流砥柱。隨著我國提出可持續發展戰略，眾多小煤礦已經被勒令關閉，我國煤礦的開采逐步向著大中型礦井轉移。據不完全統計，煤炭資源在我國一次能源消費占比約70%，所以大部分國民消費由煤炭資源支撐起來的。為提升煤炭采出率，提出無煤柱開采技術，而無煤柱開采技術的關鍵是沿空留巷圍巖控制，如果無法保證沿空留巷圍巖的穩定性，無煤柱工作面的開采安全性無法得到保證，嚴重威脅著礦井的正常開采，所以對沿空留巷工作面進行有效的支護是十分重要的[1-2]，此前眾多學者對沿空留巷支護穩定性進行過一定的研究，但較多的研究集中在支護參數，對支護整體效果的研究較少[3-4]。所以本文以某礦為研究背景，利用數值模擬軟件，對沿空留巷圍巖支護穩定性進行研究，為沿空留巷無煤柱開采技術的實行提供一定的參考。

1 礦井概況

1201 工作面主采2 號煤層，煤層平均厚度為7.1 m，一次采高3.5 m，煤層傾角為1°左右，為近水平煤層，開采煤層的埋深平均值為430 m。目前巷道支護方案如下：巷道沿煤層底板布置，巷道的斷面尺寸為5.0 m×3.8 m。在巷道頂板布置7 根Φ22 mm×2 400 mm 的高強度螺紋鋼錨桿，頂板錨桿間排距為0.8 m×0.8 m，巷道的兩幫打設5 根Φ22 mm×2 400 mm 的高強度螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿的間排距同樣設定為0.8 m×0.8 m。同時為了避免頂板巖層出現離層情況，在頂板布設Φ18.9 mm×8 300 mm 的鋼絞線錨索。在完成留巷后，搭建1.2 m 寬的混凝土巷旁充填體，巷幫充填體的高度隨巷道高度變化而變化。沿空留巷原有支護方案下巷道變形嚴重，巷幫充填體出現傾斜、破碎情況，所以對原有支護方案進行優化設計，保證沿空留巷的穩定性。原有支護設計方案如圖1 所示。

圖1 原有支護方案（mm）

2 數值模擬研究

利用數值模擬軟件對沿空留巷錨桿支護參數進行模擬研究，以1201 工作面為研究工程背景，建立模型，模型的長×寬×高分別設定為200 m×120 m×60 m，完成模型設定后，對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，充分考慮計算時間及計算精度，在巷道邊緣進行粗劃分，在模型的邊界進行網格的粗劃分。完成網格劃分后對模型進行約束設置，在模型的頂部施加均布載荷P，均布荷載值由覆巖的自重計算所得，同時在模型的兩側和底部施加垂直約束和水平約束，對模型進行物理參數設定，在進行物理參數設定時，需要充分考慮實際情況。完成模型物理參數設定后對模型進行模擬分析，首先對回采距離工作面前方距離進行分析，選定距離分別為3.6 m、7.2 m、13.2 m、16 m，模擬云圖如2 所示。

從圖2 所示，隨著工作面推進巷道圍巖的應力重新分布，此時在距離采空區邊緣的沿空留巷由于受到工作面開采擾動影響，使得應力出現明顯的變化。在巷道周圍約20 m 范圍內的巖體均會受到回采擾動影響。隨著應力擾動的增加，巷道圍巖應力影響范圍也會出現一定的變化。距離工作面不同距離下煤幫圍巖的應力出現逐步增大的趨勢，這是由于隨工作面的不斷推進，錨桿的支撐應力不斷前移，此時基本頂能量快速聚集，當基本頂的能量聚集至斷裂強度時，基本頂斷裂能量釋放，基本頂出現回轉變形并保持穩定。此時巷旁充填體側應力呈現增長狀態，同時對比巷幫充填體與煤體的應力可以看出，煤體應力峰值小于巷旁充填體。

圖2 滯后工作面不同距離應力云圖

對滯后工作面不同距離下巷道錨桿支護軸向平均應力進行分析，將煤幫、柔模幫及巷道頂板的錨桿應力曲線進行繪制如圖3 所示。

圖3 不同距離下巷道錨桿支護軸向平均應力曲線

從圖3 可以看出，隨著距離滯后工作面距離的不斷增加，巷道煤幫、頂板的錨桿軸向力均呈現逐步增大的趨勢，當距離滯后工作面3.6 m 時，此時的巷道煤幫及頂板的錨桿軸向平均應力值分別為9.1 MPa和5.8 MPa，隨著距離滯后工作面距離增大至16 m時，此時巷道煤幫及頂板的錨桿軸向平均應力值分別提升至11.6 MPa 和7.1 MPa，分別提升了2.5 MPa 和1.3 MPa。觀察巷幫充填體的錨桿軸向平均應力值可以看出，隨著距離滯后工作面距離的增加，巷幫充填體的錨桿軸向平均應力值幾乎不會發生較大的改變。隨著滯后工作面的距離不斷增加，此時在巷道煤幫、頂板與巷旁充填體的錨桿平均軸向應力分別增長約27.4%、22.4%和5.3%。

根據模擬結果對原有支護方案進行優化，給出兩種優化方案，分別如下所述。優化方案一：在原有支護方案的基礎上，將頂錨桿調整為8 根，頂錨桿的間排距調整為為700 mm×700 mm，其他參數不變；優化方案二：選用錨桿型號與原支護方案相同，將工作面的側煤幫錨桿數量降低為4 根，同時將頂板的錨桿位置做出一定的調整，一次來提升煤幫側的頂板支護密度，同時在柔模混凝土巷旁充填體的對拉錨桿數量由5 根改為4 根。分別對原有支護方案及優化方案下的巷道圍巖變形量進行統計，如表1 所示。

表1 巷道圍巖變形量統計表 mm

在開始工作面回采后，此時從表1 可以看出，原有支護方案下巷道頂板下沉量為47.2 mm，巷道底鼓量為20.6 mm，兩幫的移近量為112.4 mm，頂底板的移近量為67.8 mm。經過支護優化后，支護優化方案一和方案二的巷道圍巖變形量均有了一定幅度的降低，頂板下沉量較原方案降低了9.3%和18.4%，對比優化后的底鼓量可以看出，兩種優化方案下底鼓量減小幅度不大，而巷道兩幫移近量分別降低了6.2%和13.1%，所以對比分析可以看出，方案二的支護優化效果較方案一有所增強，所以選擇方案二。

3 結論

1）通過數值模擬研究發現，隨著工作面推進巷道圍巖的應力重新分布，距離工作面不同距離下煤幫圍巖的應力出現逐步增大的趨勢。

2）隨著滯后工作面的距離不斷增加，此時在巷道煤幫、頂板與巷旁充填體的錨桿平均軸向應力分別增長約27.4%、22.4%和5.3%。

3）根據模擬給出支護優化方案，支護優化方案一和方案二的巷道圍巖變形量均有了一定幅度的降低，方案二最佳。