曹 耿

（山西焦煤集團(tuán)正興煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036400）

為了保證正興煤礦13103工作面大斷面回采巷道穩(wěn)定性，避免工業(yè)性試驗(yàn)的浪費(fèi)，根據(jù)試驗(yàn)巷道圍巖所處的力學(xué)環(huán)境及煤體力學(xué)特征，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件科學(xué)的劃分支護(hù)區(qū)，合理確定支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)，保證巷道的安全。為其他類(lèi)似礦井大斷面大采高回采巷道支護(hù)提供有力的設(shè)計(jì)依據(jù)[1-5]。

1 工程概況

山西焦煤集團(tuán)正興煤礦13號(hào)煤層位于太原組一段上部或頂部、毗鄰太原組二段底部砂巖（S2）處，與下伏14號(hào)煤層相距最小1.0m，一般為2.0～5.0m，為本井田可采煤層，其中煤層厚度為9.97～17.44m，平均厚度為14.54m，穩(wěn)定可采，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，夾矸2～3層，厚0.02～0.20m，呈條帶狀產(chǎn)出。13號(hào)煤層偽頂和直接頂板為炭質(zhì)頁(yè)巖,基本頂為太原組二段底部砂巖，底板為炭質(zhì)頁(yè)巖。井田內(nèi)13號(hào)煤層覆蓋較淺，井田西南部被剝蝕，并存在風(fēng)氧化現(xiàn)象；井田東北部有煤層露頭斷續(xù)出露，煤層存在風(fēng)氧化現(xiàn)象。

2 13103工作面大采高大斷面巷道支護(hù)數(shù)值模擬

2.1 建立模型

13103工作面巷道大斷面支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索支護(hù)形式，煤層厚度從開(kāi)切眼開(kāi)始在采煤推進(jìn)方向128m時(shí)，巷道變形范圍內(nèi)從3m變化到6m，且巷道頂板從挑頂掘進(jìn)狀態(tài)變化至托頂煤掘進(jìn)狀態(tài)。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)托頂煤的不同支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析和驗(yàn)證其支護(hù)效果。

模型尺寸為100×75×50m，共劃分單元330000個(gè)，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)345420個(gè)。

在支護(hù)方案數(shù)值模擬分析中，將分別考慮輔順在不同托頂煤厚度情況下，有幫錨索支護(hù)和無(wú)幫錨索支護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性狀況。

2.2 模擬結(jié)果及分析

（1）巷道變形特征

不同托頂煤厚度有無(wú)幫錨索時(shí)巷道頂板下沉及兩幫移近特征見(jiàn)圖1～2。

圖1 煤厚3m挑頂1m巷道

圖2 煤厚6m托頂煤2m

不同托頂煤厚度有無(wú)幫錨索時(shí)巷道頂?shù)装鍏R合量及兩幫移近量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 頂?shù)装鍏R合量及兩幫移近量

由圖1～2和表1可知，有無(wú)幫錨索支護(hù)和頂煤厚度的不同，對(duì)巷道圍巖的變形影響較大。整體來(lái)說(shuō)，托頂煤厚度大時(shí)巷道的變形量大于托頂煤厚度小時(shí)；無(wú)幫錨索支護(hù)時(shí)巷道的變形量大于有幫錨索支護(hù)時(shí)。

以上模型中，煤層厚度6m托頂煤2m時(shí)頂?shù)讌R合量值最大值，無(wú)幫錨索時(shí)頂板匯合量為404mm，有幫錨索時(shí)頂?shù)讌R合量381mm，相差23mm；煤層厚度5m托頂煤1m時(shí)兩幫移近量值最大值，無(wú)幫錨索時(shí)兩幫移近量為470mm，有幫錨索時(shí)兩幫移近量412mm，相差68mm。兩者比較，使用幫部錨索加強(qiáng)支護(hù)比不施工幫錨索有利，但是考慮輔順巷道在有無(wú)幫部錨索的情況下，整體收斂后均能滿足使用功能，從經(jīng)濟(jì)角度看，輔順巷道可以采用無(wú)幫部錨索支護(hù)。

（2）巷道圍巖破壞特征

不同托頂煤厚度有無(wú)幫錨索時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)分布特征見(jiàn)圖5～6。

圖3 煤厚3m挑頂1m

圖4 煤厚6m托頂煤2m

由圖3～4巷道圍巖塑性區(qū)變化可知，隨著煤層厚度的增大，巷道掘進(jìn)支護(hù)后，圍巖塑性破壞的范圍逐漸增大。對(duì)于有無(wú)幫錨索支護(hù)，塑形區(qū)的大小有一些變化，有幫錨索支護(hù)的巷道圍巖塑性破壞的范圍要比無(wú)幫錨索巷道小一些，但所有模型的塑性區(qū)范圍都小于錨桿的支護(hù)范圍。從控制巷道圍巖塑性破壞發(fā)展的角度，應(yīng)該選擇有幫錨索進(jìn)行支護(hù)，才有利于巷道圍巖的穩(wěn)定，但考慮無(wú)幫部錨索的情況下，塑性區(qū)也能得到有效的控制，從經(jīng)濟(jì)角度看，輔順巷道可以采用無(wú)幫部錨索支護(hù)。

3 無(wú)幫錨索支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，支護(hù)設(shè)計(jì)如下：

（1）支護(hù)參數(shù)：托頂煤掘進(jìn)沿空巷道支護(hù)頂板時(shí)，應(yīng)在頂板安設(shè)托頂錨索，每排兩根Φ21.6mm錨索，排距2400mm，即：3排錨桿布置1排錨索，錨索長(zhǎng)度可根據(jù)直接頂厚度大小調(diào)整，如果直接頂厚度小于1.5m時(shí)，也可不用托頂錨索支護(hù)，僅使用錨桿將其懸吊在上面中砂巖基本頂上。

（2）支護(hù)要求：采用無(wú)幫部錨索的情況下，塑性破壞區(qū)大小在錨桿的有效控制范圍內(nèi)。即滿足最大頂?shù)讌R合量404mm，最大兩幫移近量470mm。

取得的支護(hù)效果：現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，當(dāng)實(shí)體煤幫錨索密度大時(shí)，實(shí)體煤幫變形量小，反之變形量大。采用3排錨桿布置1排2根錨索時(shí)，實(shí)體煤幫最大變形量只有228mm，能滿足巷道超前支架的布置；3排錨桿1排1根錨索時(shí)，實(shí)體煤變形量達(dá)到374mm（未計(jì)算擴(kuò)幫擴(kuò)去的部分）不能滿足巷道超前支架的布置，需要擴(kuò)幫。

因此，實(shí)體煤幫除采用錨網(wǎng)支護(hù)外需要增加幫錨索，每排兩根Φ21.6×5000mm錨索，排距2400mm，即：錨索的支護(hù)密度為3排錨桿1排2根錨索，長(zhǎng)度5m。

4 結(jié)論

本文研究了正興煤礦13103工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)及其在不同采高條件下的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，用數(shù)值模擬的方法分析了不同煤層厚度時(shí)實(shí)體煤巷道和沿空巷道的應(yīng)力環(huán)境，得到如下結(jié)論：

（1）造成13103工作面采空區(qū)側(cè)向煤體中的支承壓力的主要原因是由于煤層上方關(guān)鍵層產(chǎn)生的支承壓力疊加作用在煤壁內(nèi)煤體上，形成一個(gè)單峰形態(tài)的支承壓力使得煤壁將保持彈性狀態(tài)。

（2）軌道順槽受采動(dòng)支承壓力影響下，在工作面前方15～75m范圍區(qū)域發(fā)生破壞，其中，嚴(yán)重影響區(qū)在工作面前方20～50m區(qū)域，巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)在實(shí)體煤內(nèi)10m位置處，是工作面超前支護(hù)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

（3）13103工作面鄰近13102采空區(qū)邊緣20～30m范圍處會(huì)形成支承壓力峰值區(qū)域，當(dāng)受到工作面采動(dòng)影響下,該支承壓力的峰值區(qū)域?qū)⒊室粋€(gè)“長(zhǎng)尾十字”狀，其中十字的交叉部位是支承壓力最大的區(qū)域。