残采区回采巷道合理支护技术研究

薛　琦

(山西省吕梁市离石区军事化矿山救护中队,山西 离石 033000)

1　研究背景及模型的建立

关岭山煤矿采用“采底留顶”落后的巷柱式采煤方法开采3号煤层,回采率不及25%,造成了煤炭资源的严重浪费[1-2]。因此,对3号煤进行残煤复采,可提高资源回收利用率,延长矿井服务年限,促进企业可持续发展[3-4]。

根据关岭山综合柱状图建立长×宽×高=80 m×30 m×48 m的模型,煤层厚度为4.5 m,煤层上方建立5层岩层，煤层下方建立4层岩层。通过做岩石力学实验,测定各岩层参数。模型边界条件为:底部固支,限制水平位移和垂直位移,模型四个侧面限制水平位移,顶部施加上覆岩层重力,取重力加速度为10 m/s2。模型划分135 820个单元,132 261个结点,图1为数值模拟模型图。

图1　数值模拟模型图Fig.1　Analysis model for goaf completeness

巷道沿煤层底板掘进,断面为矩形,宽4.20 m,高2.65 m,巷道底板为灰黑色砂质泥岩。模型煤柱宽度30 m,巷柱式旧采空区宽6 m,假定采空区全部采空或者垮落,在围岩破坏情况最为严重时,研究破碎围岩对回采巷道稳定性的影响,其中,回采巷道采用“柔模混凝土+高水材料充填+锚杆+锚索+工字钢梁”联合支护。

2　数值模拟方案和模拟过程

回采巷道具体的支护参数为:老空区顶板6根锚杆,长度2 000 mm,锚杆间排距800 mm×1 000 mm,锚固方式为加长锚固;两根锚索间距为1 600 mm,排距2 000 mm,锚固方式为加长锚固。采用跨长4.8 m的11#工字钢支护,钢棚棚距为1 m。

模拟过程可分四步，第一步:建立模型,并提前分组,模型分为12组,将煤层分为5个分组,巷道为hd分组,煤柱为ff分组,采空区为kq分组,高水材料为gs分组,柔模混凝土为rm分组。计算模型建好后计算初始应力场至平衡。第二步:开挖采空区,并用solve计算到平衡,模拟巷房开采后围岩因应力的重新分布。第三步:对空区进行“柔模混凝土+高水材料充填+锚杆+锚索+工字钢梁”联合支护。第四步:计算至平衡,读取相应围岩变形量、应力分布情况,塑性区破坏情况,分析围岩的屈服破坏情况、巷道顶底板移近量、两帮移近量、垂直应力云图、水平应力云图及两帮应力分布情况最终确定该支护方案的可行性。在整个模拟运算过程中始终监测巷道周围的变形破碎情况,记录并存储每一步运算结果,作为确定支护方案合理的主要依据。本报告仅给出最优支护方案的数值模拟分析结果。

3　巷道围岩变形破坏分析

图2示出回采巷道在“柔模混凝土+高水材料充填+锚杆+锚索+工字钢梁”联合支护时围岩屈服破坏特征。由图2可以看出，联合支护后巷道顶板在工字钢棚和高水材料充填支护下,没有出现明显破坏,两帮柔模混凝土表面和内部完整性极好。由此可知,采用上述联合支护后岩层完整性得到了较好的保证,巷道围岩整体处于稳定状态。

图2　支护后围岩塑性区云图Fig.2　Nephogram of the plastic zone of the surrounding rock after supporting

4　巷道围岩垂直应力分析

图3为巷道围岩垂直应力云图,图4示出采用上述联合支护时,回采巷道两帮垂直应力分布曲线。

图3　支护后围岩垂直应力云图Fig.3　Nephogram of the vertical stress of the surrounding rock after supporting

图4　支护后围岩垂直应力曲线Fig.4　Curve of the vertical stress of the surrounding rock after supporting

从图中可以看出,巷道顶板高水材料充填范围内承受较小拉应力,约为0.074 MPa,老空区顶板上方岩层承受压应力,在0 m～7 m范围内应力值大小范围在1 MPa～4.5 MPa,两帮垂直应力基本呈对称分布,柔模混凝土主要承受拉应力,但应力较小,巷帮内部0.8 m的岩层承受压应力,压应力值随着距巷帮距离增加而增加,在5 m～6 m处达到峰值,最大值为9.16 MPa,应力集中系数为1.88,巷帮内部0 m～5 m为应力增高区。

5　回采巷道围岩位移特征

分析回采巷道采用“柔模混凝土+高水材料充填+锚杆+锚索+工字钢梁”联合支护时,巷道围岩的垂直位移和水平特征。图5示出在回采巷道采用上述联合支护时,巷道围岩水平位移和垂直位移分布云图。从图中可以看出,回采巷道采用上述联合支护后,巷道顶板高水材料充填范围内,变形较小,支护效果明显,两帮柔模混凝土支护范围内未发生明显位移,巷帮内部最大移近量位于老空区巷道两帮的中部,相对移近量为8cm,故采

用所选支护方案后，回采巷道的稳定性较好,能够满足安全生产的需要。

5-a　水平位移

5-b　垂直位移图5　支护后围岩位移云图Fig.5　Nephogram of the displacement of the surrounding rock after supporting