丁曉飛

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)柳塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205）

1 概況

神東煤炭集團(tuán)柳塔煤礦位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗，現(xiàn)開采22 號(hào)煤層。東部盤區(qū)的22101-1 工作面為22 煤首采面，長(zhǎng)度235 m，工作面回風(fēng)巷側(cè)上方為12 煤12110 綜放工作面采空區(qū)，正上方為烏蘭木倫12 煤12209 普采工作面采空區(qū)，運(yùn)順側(cè)上方為烏蘭木倫12 煤12207 普采工作面采空區(qū)。

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

22101-1 工作面主回撤通道2～3 聯(lián)巷揭露22F31正斷層（斷層產(chǎn)狀：傾向198°，傾角40°，落差5.1 m）和22F32 正斷層（斷層產(chǎn)狀：傾向6°，傾角40°，落差3.0 m）。兩斷層傾向相對(duì)形成寬度約3.2 m 小型地塹，兩斷層疊加后實(shí)際落差2.1 m，預(yù)計(jì)在22101-1 工作面推進(jìn)至距離主回撤約90 m 時(shí)揭露。

2 FLAC3D 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)支護(hù)前后巷道圍巖的應(yīng)力分布和塑性區(qū)變化情況，選擇專業(yè)巖土分析軟件FLAC3D進(jìn)行巷道支護(hù)的模擬[1-2]。

數(shù)值模擬地層示意圖如圖1，模型尺寸設(shè)定為50 m×30 m×30 m，共劃分單元體45 000 個(gè)，建立節(jié)點(diǎn)65 226 個(gè)。巷道兩幫的側(cè)邊界設(shè)置為水平位移，底邊設(shè)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(yīng)力。

2.2 模擬過程

為掌握工作面采掘過程中原巖應(yīng)力擾動(dòng)及分布的情況，將在建模成功后對(duì)模型進(jìn)行初始化設(shè)置。利用 FLAC3D運(yùn)算步數(shù)進(jìn)行求解過程的控制，存儲(chǔ)不同時(shí)間點(diǎn)巷道圍巖水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的影響情況，分析巷道圍巖塑性區(qū)變化的動(dòng)態(tài)過程。

圖1 22101-1 工作面地層示意圖

2.3 模擬結(jié)果

在巷道挖掘初期，巷道圍巖僅部分應(yīng)力得到釋放，在巷道頂?shù)装?、左右兩幫處出現(xiàn)輕微破壞現(xiàn)象。當(dāng)挖掘模擬進(jìn)行到200 step 時(shí)垂直應(yīng)力釋放范圍明顯增大，開始對(duì)巷道頂板造成破壞，并于巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖2（a）。當(dāng)挖掘模擬進(jìn)行到800 step 時(shí)，垂直應(yīng)力對(duì)巷道兩幫的破壞進(jìn)一步增加，應(yīng)力釋放面積不斷擴(kuò)大，垂直應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在與巷道兩幫相距1.9 m 的范圍內(nèi)，如圖2（b）。當(dāng)挖掘模擬進(jìn)行到 2000 step 時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力釋放趨于穩(wěn)定，垂直應(yīng)力對(duì)頂板的破壞深度超過2 m 范圍，頂板附近空間的垂直應(yīng)力在0～3 MPa 之間。

圖2 巷道垂直應(yīng)力分布圖

根據(jù)結(jié)果，模擬進(jìn)行到2000 step 時(shí)頂板受垂直應(yīng)力破壞嚴(yán)重，應(yīng)力集中區(qū)逼近巷道兩幫2 m 范圍內(nèi)，最大垂直應(yīng)力集中值為12 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.8。巷道兩幫需要進(jìn)行支護(hù)加固處理，最終圍巖控制效果直接影響到巷道穩(wěn)定性。

水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力對(duì)圍巖的影響結(jié)果相近，當(dāng)挖掘模擬進(jìn)行到200 step 時(shí)，水平應(yīng)力對(duì)巷道底板圍巖的影響開始出現(xiàn)，如圖3（a）；當(dāng)挖掘模擬進(jìn)行到800 step 時(shí)，由于巷道為煤巖混合巷道，巷道底板強(qiáng)度高于頂板強(qiáng)度，此時(shí)水平應(yīng)力釋放面積擴(kuò)大，兩幫的受破壞程度變強(qiáng)，如圖3（b）；當(dāng)挖掘模擬進(jìn)行到2000 step 時(shí)，巷道兩幫與頂板受水平應(yīng)力影響變形嚴(yán)重，產(chǎn)生1.5 m 的破壞范圍，如圖3（c）。

圖3 巷道水平應(yīng)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(yīng)力共同作用下的破壞影響。當(dāng)挖掘作業(yè)小于200 step 時(shí)，巷道頂?shù)捉翘幹饕艽怪睉?yīng)力和水平應(yīng)力產(chǎn)生的拉、剪破壞。隨著巷道的挖掘，圍巖塑性破壞向深部轉(zhuǎn)移。當(dāng)挖掘模擬進(jìn)行到2000 step，階段矩形巷道頂角位置出現(xiàn)較大范圍剪切應(yīng)力，巷道剪應(yīng)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(qū)，塑性區(qū)強(qiáng)度較小時(shí)，存在巷道大面積冒頂?shù)劝踩[患。

3 支護(hù)方案的確定

根據(jù)FLAC3D對(duì)工作面巷道圍巖的模擬結(jié)果分析，并結(jié)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(hù)式電液控液壓支架及其配套的端頭支架液壓支架進(jìn)行支護(hù)，移架步距為865 mm，端面距不大于400 mm[3]。

運(yùn)順掘進(jìn)時(shí)采用錨桿、錨索、冷拔絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，回順掘進(jìn)時(shí)采用錨桿、錨索、冷拔絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，回采時(shí)運(yùn)順采用單體液壓支柱進(jìn)行超前支護(hù)，采空區(qū)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(hù)效果和模型精準(zhǔn)度后，再利用FLAC3D進(jìn)行模擬，如圖4。

圖3 聯(lián)合支護(hù)方案效果圖

模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在錨桿-錨索-冷拔絲網(wǎng)協(xié)同支護(hù)作用下，巷道圍巖支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力值在100 kPa（±20 kPa）左右。應(yīng)力分布方面，巷道頂板垂直應(yīng)力降高度約為 5.3 m，應(yīng)力值趨于0.4～1.9 MPa，應(yīng)力系數(shù)降低至0.15～0.79，對(duì)頂板的破壞小于1 m；水平應(yīng)力集中區(qū)縮小至0.75 m 處，應(yīng)力值在0.79～1.4 MPa 之間，改善效果明顯。同時(shí)，上述支護(hù)方案通過對(duì)錨桿長(zhǎng)度的增加，使得巷道頂板和兩幫的錨固結(jié)構(gòu)在圍巖部分形成環(huán)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(qū)深度為 1.8 m，幫錨桿錨固段均在巷道塑性區(qū)范圍外，可以確保錨桿支護(hù)維持較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為保證22101-1 工作面順利回采，針對(duì)巷道圍巖的應(yīng)力分布和塑性區(qū)變形規(guī)律做出了FLAC3D模擬研究。綜合考慮煤層地質(zhì)特征和企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本等方面，對(duì)確定的巷道錨桿-錨索-冷拔絲網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)支護(hù)后巷道所受水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力有效降低，塑性區(qū)破壞范圍減少53.3%，能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。