王庄煤矿8105孤岛工作面巷道支护参数数值模拟分析

丁 超

(潞安矿业集团公司 总调度室，山西 长治 046204)

目前王庄煤矿井田范围内存在一定数量的孤岛工作面，随着矿井生产的不断推进，矿井生产地质条件的不断恶化，如何改善孤岛工作面巷道的维护效果，实现安全开采，对矿井的可持续发展具有重要意义。8105工作面位于王庄煤矿81采区，主采二叠系3号煤层，煤层厚度6.5 m，工作面北部、南部分别为8103工作面采空区和8106工作面采空区，8105工作面运巷设计断面为5 m×3.2 m，巷道一侧为实体煤帮，另一侧为8103采空区，8105工作面运巷与8103采空区留设7 m宽区段煤柱。综合考虑锚杆对围岩的支护强度以及本矿井其他巷道的支护经验，巷道顶板和两帮拟采用D22 mm的全螺纹钢锚杆进行支护。为了确保掘进阶段和回采阶段巷道围岩的稳定，必须选择合理有效的巷道支护参数，因此，本文基于FLAC3D数值软件，对8105运巷的锚杆支护动态进行模拟分析，以选取最优的巷道支护参数。

1 模型建立及巷道支护方案

为了研究8103临近工作面采空区的侧向支承应力对8105工作面运巷的影响规律，利用有限差分软件FLAC3D建立数值模拟模型，模拟分析8105工作面运巷在不同支护方案下(表1)的巷道围岩变形情况，以确定合理的支护方案。数值模拟过程如下：先开挖临近工作面并计算平衡，再开挖8105工作面运巷，并进行锚杆(索)支护计算至平衡，再开挖本区段8105工作面并计算至平衡。

表1 巷道支护方案

注：顶板锚索采用规格为D18.9 mm、L8 300 mm的19股钢绞线锚索，两帮选用规格为D18.9 mm、L4 300 mm的19股钢绞线锚索。

2 数值模拟结果及分析

2.1 巷道掘进阶段数值模拟结果分析

通过数值模拟得到8105工作面运巷掘巷期间不同支护方案下巷道围岩垂直位移和水平位移变化情况，见图1。

由图1可以看出，随着巷道顶板及两帮锚索、锚杆间排距的逐渐减小，即由支护方案1改变到方案3，巷道支护强度逐渐增加，巷道顶板及两帮围岩变形量逐渐减小，分别减小约102 mm和215 mm，变化明显。而由方案3改变到方案5，巷道顶板及两帮围岩变形量变化幅度较小，方案4和方案5相比基本无变化。从围岩承载能力与经济效益出发，确定选择方案3可以满足要求。

图1 掘进期间不同支护方案巷道位移变化曲线

2.2 回采阶段数值模拟结果分析

8105工作面回采期间不同支护方案下巷道围岩垂直位移和水平位移模拟结果，见图2。

图2 回采期间不同支护方案巷道位移变化曲线

由图2可知，不同锚杆支护参数下巷道围岩变形量有较大差别，变化范围较大。支护参数由方案1改变到方案3，支护强度逐渐增加，巷道底鼓量、顶板下沉量和两帮移近量明显减小，巷道底鼓量、顶板下沉量、顶底板移近量和两帮移近量分别减小96 mm、138 mm、234 mm和105 mm，巷道顶底板移近量大幅度降低，同时巷道两帮移近量明显减小。方案3与方案5相比较，巷道围岩变形量变化幅度较小，同时考虑围岩锚固体的承载能力和经济效益，综合考虑选择锚杆支护方案为方案3。

3 巷道锚杆支护参数的确定

根据模拟结果，最终确定8105运输巷的支护参数选择方案3，支护示意见图3。

图3 8105工作面运巷支护示意(mm)

顶板支护：每排采用D22 mm、L2 400 mm的HRB-335高强度螺纹钢锚杆7根，除窄煤柱帮侧两根锚杆间距为500 mm外，其余均为800 mm，排距为800 mm，顶角锚杆距帮250 mm倾斜15°打设；采用树脂药卷加长锚固，锚固长度为1 500 mm，铺设金属网和D14 mm圆钢焊制的规格为4 700 mm×80 mm的双筋双梁钢筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×10 mm的托板；同时打设2根间距为2 000 mm、排距800 mm的D18.9 mm、L8 300 mm的预应力锚索加强支护，采用D14 mm圆钢焊制的规格为2 200 mm×80 mm的双筋双梁钢筋梯子梁横向连接，配套锁具、调心球垫。

两帮支护：采用D22 mm、L2 000 mm的HRB-335高强螺纹钢锚杆，窄煤柱帮每排打设5根，间排距为700 mm×800 mm，实煤体帮打设4根，间排距为900 mm×800 mm，帮顶角锚杆向顶板倾斜15°打设，帮底角锚杆向底板倾斜15°打设；采用树脂药卷加长锚固，每根锚杆采用Z2335、Z2360型药卷各一支，锚固长度为1 200 mm，铺设金属网和D14 mm圆钢焊制的3 000 mm×80 mm双筋双梁钢筋梯子梁，采用150 mm×150 mm×10 mm的托板；同时打设两根D18.9 mm、L4 300 mm的预应力锚索加强支护，锚索间排距1 200 mm×1 600 mm，用D14 mm圆钢焊制的3 400 mm×80 mm双筋双梁钢筋梯子梁沿巷道纵向连接，每根锚索配套使用一块规格为300 mm×300 mm×16 mm、拱高不得低于60 mm的托板，配套锁具、调心球垫。

4 现场应用效果

8105运巷采用上述方案支护后，为了验证巷道支护方法选择的合理与否，在实际掘进过程中，对巷道围岩进行了矿压观测。结果表明，随着监测天数的增长，即距离掘进迎头距离的增加，巷道顶板下沉量最大值约为130 mm，底鼓量约为125 mm，两帮移近量约为325 mm，与数值模拟结果比较接近，巷道整体变形量在预计范围内，且巷道围岩变形趋于稳定。随着巷道掘进，巷道支护锚杆锚索受力逐渐增大并趋于稳定，其中煤柱帮的受力明显高于实体煤帮的锚杆受力。通过模拟计算，8105工作面选择合适的巷道支护方法，可以节省巷道返修成本2 780元/m，并且大大提高了巷道掘进效率。