采空区下回采巷道支护方案数值模拟研究

岳振辉

(山西柳林联盛郭家山煤业有限公司， 山西 柳林 033300)



·试验研究·

采空区下回采巷道支护方案数值模拟研究

岳振辉

(山西柳林联盛郭家山煤业有限公司， 山西 柳林 033300)

为了确定采空区下巷道合理的支护方案，以某煤矿为研究对象，采用FLAC数值模拟软件，通过对不同监测断面的围岩应力进行监测，对采空区下回采巷道的围岩应力进行了数值分析。研究表明，巷道采用锚杆和工字钢棚联合支护比单一支护效果更好，能够明显降低顶底板位移量，因此，确定了基本支护方案为锚网+工字钢棚复合支护形式。

采空区；回采巷道；支护形式；FLAC3D

采空区下布置巷道，不可避免地受到采空区围岩扰动，巷道的围岩条件和性质不同于传统的巷道，进而巷道的支护机理和支护方案的确定也不同于传统的巷道支护。针对该煤矿采空区下如何进行回采巷道布置，结合现场实际情况进行巷道支护设计，采用FLAC3D数值模拟软件对巷道支护效果进行模拟分析，确保回采巷道的稳定性，实现工作面安全高效回采。

1 工作面概况

该煤矿6203工作面位于井田的西南，所属煤层为6号煤层下分层，东邻6204工作面，西邻6201工作面，依次布置6203工作面运输巷、切眼和回风巷。工作面埋深为170～220 m.6203工作面运输巷长578 m，采用锚网、锚索联合支护。切眼长度约150 m，工作面推进总长度为345 m. 6203回风巷正待掘进。由于历史开采因素，6203工作面上部存在采空区，与工作面最近间距仅2 ～3 m.遗留采空区造成的煤岩层移动与破坏不利于目前工作面与巷道围岩的稳定，其中采空区下推进长度213 m，非采空区下推进长度为132 m.6203工作面布置图见图1.

图1 6203工作面布置图

2 采空区下回采巷道支护机理及支护方案设计

由该煤矿回采巷道的实际状况可知，采空区下回采巷道区域与采空区之间的距离较近，加上巷道顶板的支护性能下降，因此必须优化采空区下回采巷道支护方案设计。通过对施工区域地质结构的分析，采取锚杆+网+工字钢棚的支护方式，保障了回采巷道支护结构稳定性的提高。支护方式使用过程中，锚网支护装置起着主要的支撑作用，其它的支护结构起辅助作用。根据不同构件相互挤压理论可知，在优化巷道生产区软弱围岩抗压性能的过程中，合理地运用锚杆，可以达到挤压加固拱的效果，确保破碎围岩整体的受力均匀性。同时，在锚杆预应力的作用下，可以将受力整体按照圆锥体的分布方式进行合理地设置，促使所有的锚杆发挥作用，进而提高围岩的抗变形能力。结合围岩自身的特性，合理地设置组合拱，将会提高围岩的承载力，优化巷道施工质量，促使巷道围岩能够长期处于稳定的工作状态。锚杆工作原理见图2.

1—连续压缩带 2—锥形体压缩带 L—连续压缩带宽度 t—锥形体压缩带宽度图2 锚杆工作原理示意图

距离工作面回风巷约197 m，通过测量，发现巷道上方具有较大的采空区，致使巷道上方顶板支撑下的煤层裂隙逐渐扩大，给回采巷道作业计划的顺利实施带来了威胁。采取必要的措施对回风巷进行合理的支护设计，需要重点考虑巷道破碎围岩的特性，提高其整体抗变形能力，阻止围岩裂隙的继续扩大，并对宽度较大的围岩裂隙进行针对性地处理。具体支护方案见图3，相关的支护参数如下：

图3 6203工作面支护断面示意图

巷顶锚杆采用d18 mm×1 600 mm无纵筋螺纹钢锚杆，间排距900 mm×900 mm，顶部铺设10#单层菱形金属网；锚杆间使用钢筋梯进行组合，钢筋梯规格为3800 mm×200 mm. 回采侧帮采用d18 mm×1 600 mm玻璃钢锚杆，非回采侧帮采用d18 mm×1 600 mm无纵筋螺纹钢锚杆，两帮锚杆间排距为900 mm×900 mm，回采侧帮铺设塑料尼龙网，规格为3 000 mm×1 100 mm；非回采侧帮铺设10#单层菱形金属网。锚杆支护后架设11#工字钢棚，棚距1 000 mm.巷道锚杆与工字钢棚布置好后对巷道表面进行喷浆，喷浆厚度为100 mm.

3 支护分析中数值模拟法的有效使用

当采空区开挖作业计划完成后，发现既有的围岩结构稳定性发生了较大的改变，导致其上部结构失稳，出现了岩层垮落的现象，最终填满了采空区。在开挖6203工作面回风巷时，应充分考虑各方面的影响因素，需要在采空区上层的所有破碎围岩完成塌落后，执行工作面回风巷的作业计划。在对采空区下回采巷道支护结构的稳定性进行分析时，利用FLAC3D，进行数值模拟分析，从而对支护结构设置与未设置时监测断面a、b、c、d、e处应力及相应的位移变化进行分析。具体的数值模拟分析示意图见图4.

利用数值模拟分析法，可以对两种不同支护方案的实际作用效果进行综合地评估，见图5.

图4 数值模拟分析示意图

图5 巷道不同位置处支护结构是否设置状态下应力分布示意图

1) 采空区下回采巷道未设置支护结构时，通过数值模拟法的有效分析，发现应力相对较大的区域主要集中在巷道两端的顶部。其中，监测断面应力峰值相对较大的区域位于b处，其应力峰值为9.2 MPa；通过对监测断面c处的模拟分析，发现其应力峰值保持在8.6 MPa左右；应力峰值保持在7.7 MPa的监测断面位于d处；应力峰值相对较小的区域位于a处和e处，大小为7.6 MPa.

2) 采空区下回采巷道设置支护结构后，原先的应力集中区发生了较大的变化。其中，不同监测断面点的应力峰值下降，整体的应力分布区上移。通过数值模拟分析法的有效使用，发现应力峰值较大的监测断面位于b处，大小为6.9 MPa；监测断面c处的应力峰值也发生了变化，约为6.6 MPa；监测断面d处应力峰值也发生了变化，大小为6.5 MPa；应力峰值相对较小的监测断面a处和e处，应力大小变为了9.3 MPa.

通过对设置支护结构与未设置支护结构数值模拟的对比分析，发现采用锚杆+网+工字钢棚的支护方式，不同监测断面a、b、c、d处的应力峰值发生了变化，分别改变了2.7 MPa、2.3 MPa、2.1 MPa、2.7 MPa.

由于巷道开采计划的实施，既有的应力状态随着开采计划的推进也在发生着变化，巷道顶板偏离了原来的位置。结合数值模拟法的分析结果可知，合理地设置支护结构后，巷道顶板的抗压强度提高，底板的偏移量也在减小。通过对不同监测断面a、b、c、d、e的有效分析，发现顶板及底板位移量移动减少了12 mm、14 mm、11 mm、10 mm、9 mm，位移量变化范围保持在9～15 mm.巷道支护与未支护结构时顶底板位移变化量见表1.

表1 巷道支护与未支护结构时顶底板位移变化量表 mm

4 结束语

为了保证采空区下回采巷道生产计划的顺利实施，需要结合采空区的实际情况，合理地设置支护结构，制定出可靠的支护措施，锚杆+网+工字钢棚支护结构，可以减少采空区对回采巷道的影响。为破碎围岩承载力的提高及抗压性能的优化提供可靠的保障。同时，结合数值模拟分析法，优化采空区下巷道的设计方案，可以保持围岩表面的受力均匀性，提高巷道的抗变形能力，最大限度地发挥支护结构的实际作用，增强高巷道结构的稳定性。

[1] 侯朝炯,柏建彪,张 农,等.困难复杂条件下的煤巷锚杆支护[J].岩土工程学报,2001(23):84-88.

[2] 沈运才.近距离采空区下松散煤层巷道支护技术研究[D].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[3] 李荣坤.采空区下回采巷道布置与矿压显现规律分析[J].煤炭工程,2011(8):48-49.

[4] 田伯权.采空区下松软煤层巷道围岩稳定性综合控制技术与应用[J].煤炭技术,2006(9):76-78.

Numerical Simulation Study on Support Schemes of Mining Roadway under Goaf

YUE Zhenhui

In order to determine the reasonable supporting scheme of roadway under goaf, takes a coalmine as the research object and uses FLAC numerical simulation software to monitor the stress of surrounding rock in different monitoring section, and analyzes the surrounding rock stress with numerical method. The results show that the combined support of rock bolt and I-steel shed is much better than the single support, which can obviously reduce the displacement of roof and floor. Therefore, the basic support scheme of bolting net and I-steel shed composite support form is ensured.

Goaf; Mining roadway; Supporting form; FLAC3D

2016-06-07

岳振辉(1975—)，男，山西柳林人，2012年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤矿技术管理工作(E-mail)hyzfmkj@sina.com

TD353

A

1672-0652(2016)08-0041-04