基于数值模拟法的巷道支护参数优化设计

李晓杰

（山西西山晋兴能源有限责任公司， 山西 吕梁 033601）

引言

随着矿井开采深度的增加，使得巷道位于更高的地应力环境中，特别是在地质构造复杂的条件下，无形中增加了矿井采掘与支护难度，而煤柱留设也在一定程度上造成资源浪费。为了减少因留设煤柱导致的资源浪费，有效控制巷道围岩的变形量，沿空留巷的掘进方式将回采巷道布置在临近已采工作面的侧向支承压力峰值区外，有效规避矿山压力集中效应，更有利于巷道围岩控制。

本文以斜沟矿23103大断面沿空巷道的支护优化设计为工程背景，基于围岩控制机理和FLAC3D数值模拟技术，对该巷道的支护方案和技术参数进行优化设计[1]。

1 工程概况

斜沟矿位于山西兴县魏家滩镇黄家沟村，井田南北长22 km，东西宽3～4 km，设计生产能力1 500万 t/a，面积 88.64 km2，地质储量 21.64亿 t，可采储量14.14亿t，主采8号、13号煤层，两煤层分采分运。23103工作面位于南五采区，临近为已采23101工作面，23103运输平巷采用沿空掘巷方式，巷道规格为4 500 mm×3 500 mm，巷道断面较大，原支护方式为锚网索+单体液压支柱联合支护，巷道与23101工作面采空区之间的区段煤柱宽8 m。巷道掘进后围岩变形严重，顶底板及两帮移近量增大，维修频繁直接影响工作面的正常安全生产，由于巷道在工作面回采前已严重损坏，围岩变形难以有效控制，严重影响工作面的安全生产[2]。

通过对23103运输平巷的围岩变形特征进行研究，在23103运输平巷500 m的范围内进行了现场观测，布置25个观测站，每个测站每天观测一次，对巷道顶底板移近量、巷道两帮移近量、巷道顶板离层值、巷道围岩表面发展情况进行观测。经过为期35 d的动态监测、统计和分析，得出23103大断面沿空巷道围岩变形特征主要特征：

1）在过程期间巷道围岩变形量稳定，未随矿山压力的释放逐渐衰减，表明巷道围岩控制失效，推测沿空巷道布置位置处于侧向支承压力影响范围内，或巷道支护方案与现场贴服性差，导致巷道围岩变形严重难以控制。

2）在整个观测期间，巷道两帮移近量发展速度要快于顶板下沉速度，且底鼓量发展也较大，巷道帮部煤体受压发生严重塑性变形，支撑效果差，直接影响顶板的支护，导致巷道围岩失稳。

3）现场观测表明，23103运输平巷现状已无法较好地为工作面的安全生产服务，急须在回采前对巷道围岩控制进行再研究，对巷道支护方案进行优化，并对23103运输平巷局部区段进行断面整形及重新支护，确保巷道的正常使用[3]。

2 模型建立

基于巷道围岩变形机理和特征，斜沟矿使用FLAC3D数值模拟软件进行沿空巷道的围岩应力分布、围岩变形特征及围岩控制机理进行模拟研究，依据沿空巷道覆岩结构、巷道及工作面参数等建立数值模型，并进行模拟分析，边界条件如下页图1所示。并布置测点、测线对巷道围岩应力、应变及塑性区进行监测，模拟巷道的开挖、工作面的推进，并对模拟结果进行分析。通过模型建立和模拟结果可知：

图1 数值模型建立及边界条件示意图

1）在煤柱受力及塑性破坏方面，沿空巷道煤柱承受的主应力呈马鞍形分布，承受的垂直应力较大，而水平应力较小，煤柱容易受到挤压发生塑性变形，故煤柱尺寸不应过小，失去支撑效能。

2）在煤柱深度范围内，在距离边缘1.5 m范围内，主应力差值小，煤体易发生塑性破坏，在距离边缘1.5～3.5 m范围内，主应力差值升高，煤体承载力增强，在3.5～8.5 m范围内，主应力差值缓慢升高，并在约8.5 m时达到峰值。

3）沿空掘巷受巷道掘进、工作面回采多次扰动，受采空区侧向支承压力、工作面超前支承压力影响，巷道顶板及两帮受应力破坏，尤其是煤柱侧煤帮，由于高应力影响，发生的塑性变形及位移更明显，控制其整体外移的难度较大，在支护设计时应该留有一定的位移允许量[4]。

4）分析巷道原设计支护方案，煤柱尺寸的合理性有待研究，且暂无法改变。原支护方案中过度强调对顶板的支护，支护强度和密度已较大，而对巷道两帮的支护尤其是对煤柱侧的支护，仅适用4根普通螺纹钢锚杆的支护明显不足，其锚固长度2.4 m，也无法将锚杆锚固到深部稳定锚固区，无法在帮部形成稳定的整体结构，范围会在顶板、煤帮的变形互相作用下整体失稳、失效[5]。

3 现场应用

在以上研究及分析的基础上，对23103运输平巷的支护方案进行优化及现场试验。试验段为该巷道变形较严重的50 m巷道区段，在对巷道进行挑顶、刷帮、卧底等相关整形施工后，按照新的支护方案，顶部支护与原方案一致，重新打设Φ18×2400 mm无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，配合Φ18mm×9000mm预应力锚索，间排距为1 600 mm×800 mm；巷道两帮因锚杆锚固长度有限，在两帮增设锚索配合槽钢带支护，锚索为Φ117.8mm×6000 mm预应力锚索，每1 600 mm打设一排，每帮每排2根，间距1500mm，上距顶900mm，下距底1 000mm，垂直煤帮打设，锚固力不低于180 kN，并将每帮相邻四根锚索使用槽钢带进行联合锚固，锚固外端形成“井”字型结构，每两排锚索形成一个稳定的锚固结构。优化后的巷道支护断面示意图如图2所示。

图2 优化后的巷道支护断面示意图（单位：mm）

4 支护效果分析

通过对23103工作面回采巷道进行为期35 d的动态监测，共布置5个测站，每个测站每天观测一次，对巷道的围岩变形量进行观测和统计分析，得出试验段内巷道底鼓控制效果良好，顶底板累计移近量控制在80～190 mm范围内，两帮移近量控制在120～250 mm范围内，围岩虽在一定程度上发生变形，但整体控制效果良好，巷道的断面收缩率均在可控范围，保证巷道的安全使用。

5 结论

本文以斜沟矿23103工作面回采巷道支护为工程背景，针对巷道围岩软、变形大无法满足生产需求的问题，基于围岩控制机理和FLAC3D数值模拟技术对巷道支护参数进行优化设计，计算得出科学合理的技术参数与支护方案，通过现场观测巷道变形数据，巷道顶底板累计移近量控制在80～190 mm范围内，两帮移近量控制在120～250 mm范围内，巷道断面收缩率在可控范围，体现出良好的控制效果，证明优化后的巷道支护技术参数和方案能够保证矿井的安全生产需求。