大采高小煤柱回采巷道支护设计数值模拟研究

杨金贵

(西山煤电股份有限公司 西铭矿，山西　太原　030052)

·试验研究·

大采高小煤柱回采巷道支护设计数值模拟研究

杨金贵

(西山煤电股份有限公司 西铭矿，山西太原030052)

摘要通过优化大采高小煤柱回采巷道的支护方案，可以改善巷道围岩的应力分布，减小巷道围岩的变形，使巷道围岩保持稳定状态，实现建设高产高效矿井的目的。本文以王庄煤矿3045工作面为工程背景，通过数值模拟的研究方法选择5个因素，4个水平进行正交试验，对各支护方案进行比选研究，确定了大采高小煤柱回采巷道的合理支护方案，经现场观测取得了较好的经济技术效果。

关键词大采高；小煤柱；回采巷道；数值模拟；支护

山西三元煤业股份有限公司王庄煤矿3号煤层大采高综采工作面通过留设区段小煤柱进行护巷，由于在巷道掘进期间位于采空区一侧的巷道围岩变形破坏严重，甚至某些区域的锚杆托盘出现了压裂损坏并导致锚杆失去锚固作用的现象，因此，需要在原支护的基础上对巷道围岩进行二次加固。尤其是在工作面回采阶段，巷道围岩由于受到采动影响而产生严重的变形，因此，还需要多次进行巷道的扩帮和起底作业。此外回采巷道承担着运输、行人、通风等重要作用，还应采取技术措施使巷道在服务期间维持在稳定状态。

本文以王庄煤矿3045工作面回风巷为工程背景，采用数值模拟的方法，对大采高小煤柱回采巷道支护设计进行研究。

13045工作面概况

山西三元煤业股份有限公司王庄煤矿3045工作面位于井田东部，其北部同304采区相邻，其南部同旧矿的采空区相邻，其东部与井田边界相邻，其西部与3043工作面采空区相邻。3045工作面位置示意图见图1.

图1　3045工作面位置示意图

3045工作面采用大采高一次采全厚综合机械化开采技术对3号煤层进行开采，采用全部垮落法对顶板进行管理，工作面长度为260 m，工作面推进长度为1 710 m，最大和最小控顶距分别为5.53 m和4.73 m，工作面循环进度为0.8 m，并且采用四六制作业。

3045工作面3号煤层平均厚度为5.0 m，倾角为2°～7°，并且含有0～1层夹矸，煤层结构简单。3045工作面直接顶主要为泥岩和砂质泥岩，岩体的强度比较低；基本顶主要为细砂岩和粉砂岩，岩体的强度比较高；直接底主要为泥岩和砂质泥岩，岩体的强度比较低；基本底主要为细砂岩和粉砂岩，岩体的强度比较高。3号煤层顶底板岩层物理力学参数统计见表1.

表1　3号煤层顶底板岩层物理力学参数统计表

2数值模拟支护方案的设计

综合考虑影响大采高小煤柱回采巷道围岩变形破坏的各个支护参数以及每个参数的各个水平，并运用正交试验方法制定支护方案，通过数值模拟试验取得最优的试验结果[1-3].

锚杆支护主要包括每排锚杆个数、锚杆直径、锚杆长度、锚杆排距、锚索个数等5个因素，分别取顶板、底板、煤柱帮、实体煤帮等4个水平。本次相似模拟试验研究共选择了5个因素、4个水平进行正交试验，正交试验的具体方案见表2[4-5].

表2　正交试验的具体方案表

通过对表2中的16个数值模拟方案条件下回采巷道的顶板下沉量、底板底鼓量和两帮移近量等试验结果进行对比分析，研究得出锚杆支护的合理参数[6].

掘巷期间数值模拟试验结果统计情况见表3.

表3　掘巷期间数值模拟结果统计情况表

采用直观分析法对本次数值模拟试验结果进行分析，通过计算各个因素的平均极差来分析选取不同的水平对该所选择因素的影响程度。

根据表3计算得出掘巷期间回采巷道的顶板下沉量、底板底鼓量、实体煤帮变形量以及煤柱帮变形量的各个因素、各个水平的均值和极差的结果统计，见表4～7.

表4　顶板下沉量直观分析结果统计表

表5　底板底鼓量直观分析结果统计表

表6　实体煤帮变形量直观分析结果统计表

表7　煤柱帮变形量直观分析结果统计表

根据表4～7绘制得到掘巷期间各个因素对回采巷道变形量影响的直观分析图，见图2～6.

图2　锚杆根数对巷道变形的影响示意图

图3　锚杆排距对巷道变形的影响示意图

图4　锚杆直径对巷道变形的影响示意图

图5　锚杆长度对巷道变形的影响示意图

图6　锚索根数对巷道变形的影响示意图

根据对图2～6掘巷期间大采高小煤柱回采巷道的数值模拟结果分析可以得出：

1) 锚杆根数对回采巷道支护效果的影响。

回采巷道围岩的完整性随着每排锚杆根数的增多而越好，而巷道围岩变形量则随之呈现出逐渐减小的趋势。根据图2的数值模拟结果并综合考虑王庄煤矿的实际工程地质条件，确定每排顶板锚杆根数为6根，每排单侧帮锚杆根数为5根较合理。

2) 锚杆排距对回采巷道支护效果的影响。

回采巷道顶板下沉量、底板底鼓量与两帮变形量均随着锚杆排距的增大而呈现出迅速增大的趋势。根据图3的数值模拟结果并综合考虑王庄煤矿的实际工程地质条件，确定锚杆排距为900 mm较合理。

3) 锚杆直径对回采巷道支护效果的影响。

回采巷道顶板下沉量、底板底鼓量与两帮变形量均随着锚杆直径的增大而呈现出逐渐减小的趋势。根据图4的数值模拟结果并综合考虑王庄煤矿的实际工程地质条件，确定采用d22 mm的高强左旋螺纹钢筋较合理。

4) 锚杆长度对回采巷道支护效果的影响。

回采巷道顶板下沉量、底板底鼓量与两帮变形量均随着锚杆长度的增加而呈现出逐渐减小的趋势。根据图5的数值模拟结果并综合考虑王庄煤矿的实际工程地质条件，确定采用锚杆长度为2 400 mm较合理。

5) 锚索根数对回采巷道支护效果的影响。

数值模拟结果表明，是否在回采巷道顶板布置锚索会对回采巷道围岩变形产生很大的影响，回采巷道顶板下沉量、底板底鼓量与两帮变形量在回采巷道顶板没有布置锚索的条件将会显著增大。根据图6的数值模拟结果并综合考虑王庄煤矿的实际工程地质条件，确定在回采巷道顶板采用每隔1排锚杆布置2根锚索较合理。

3结论

根据数值模拟结果并综合考虑王庄煤矿的实际工程地质条件，确定每排顶板锚杆根数为6根，每排单侧帮锚杆根数为5根；锚杆排距为900 mm；采用d22 mm的高强左旋螺纹钢筋；锚杆长度为2 400 mm；在回采巷道顶板采用每隔1排锚杆布置2根锚索。综合采用“锚杆+钢筋梯子梁+金属网+锚索+喷射混凝土+滞后注浆加固煤柱”的联合加固支护方案对大采高小煤柱回采巷道进行支护。根据现场观测，取得了较好的经济技术效果，实现了矿井的安全高效生产。

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Numerical Simulation Research on the Supporting Design of Extraction Roadway with Large Mining Height and Small Coal Pillar

YANG Jingui

AbstractThrough optimizing the supporting scheme of large mining height and small coal pillar mining roadway, can improve the stress distribution of roadway surrounding rock, reduce the deformation of roadway surrounding rock, the wall rock of tunnel can remain in a stable condition, so as to achieve the purpose of construction of high yield and high efficiency coal mine. In this paper takes 3045 working face of Wangzhuang coal mine as engineering background, through numerical simulation research methods choose five factors, four levels carry out orthogonal test. Various supporting schemes are compared, selected and study. The rational support scheme of large mining height and small coal pillar mining roadway is determined. Good economic and technical effects are achieved by field observation.

Key wordsLarge mining height; Small coal pillar; Extraction roadway; Numerical simulation; Supporting

中图分类号：TD355

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)12-0004-04

作者简介：杨金贵(1965—)，男，山西太原人，1999年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤矿生产管理工作(E-mail)307358717@qq.com

收稿日期：2015-10-24