8603 工作面回采巷道支护方案优化及数值模拟

张一飞

（山西大同煤矿集团有限公司煤峪口矿，山西 大同 037003）

随着煤矿开采深度的增加，巷道所处的环境越来越复杂，围岩变形程度也越来越大，返修率越来越高，能否有效解决这些问题关系到深部煤矿的安全高效生产[1-2]。基于已有研究，结合同煤集团煤峪口矿406 盘区8605 工作面-900 m 回采巷道的工程实际[3]，总结了深部软岩巷道在采用现有支护方案下的破坏特征[4]，提出了采用中空注浆锚索进行补强支护。并采用FLAC3D分析了锚网索支护以及中空注浆锚索支护方案下巷道围岩的位移量、垂直应力和水平应力的分布特征，确定了煤峪口矿深部软岩巷道的最佳支护方式，给出了最佳支护参数，以期为同类巷道围岩控制问题提供一条切实可行的技术方案。

1 工程概况

406 盘区8605 工作面北部为已回采的8603 工作面，南部为已回采的8607 工作面，西部为408东部盘区巷，东部为404 盘区巷。工作面埋深超过800 m，设计可采走向长度1986 m，倾斜长172 m，主采煤层为14-2#煤层，煤层倾角为8°，煤层平均厚度6.2 m，平均采高为3 m。煤层顶板为2 m 厚的砂质泥岩和4.5 m 后的泥岩，底板为7.25 m 厚的砂质泥岩。

2 工作面回采巷支护概况

2.1 支护现状

回采巷道断面形状为矩形，尺寸4.0 m×3.0 m，支护方式为锚网索联合支护。巷道顶板和两帮均采用22 mm×2200 mm 的等强螺纹锚杆，间排距为800 mm×800 mm。顶板用17.8 mm×6000 mm 高强度高延伸率预应力钢绞线，间排距1600 mm×1600 mm。

在原支护方案条件下巷道围岩收敛变形量大，围岩控制困难，变形速度快，返修率高。巷道围岩在高应力的作用下，破碎严重，出现较多裂隙，严重影响了该矿的正常生产工作。

2.2 优化支护方案

针对原支护方案存在的问题，提出采用锚网索支护+中空注浆锚索联合支护的方案，采用中空注浆锚索进行补强支护。依据8605 工作面的实际工程地质条件，综合运用理论计算和工程类比等手段，对原支护方案进行优化。中空注浆锚索具体优化参数如下：中空注浆锚索布置在两排锚杆中间位置处，直径为22 mm，长6000 mm，每根锚索配4卷MSK2835 锚固剂，锚索预紧力应大于110 kN，间排距为1600 mm×2400 mm。优化后的巷道断面支护图如图1。

图1 优化支护设计断面图

3 巷道支护方案的数值模拟对比

为了解中空注浆锚索支护技术适应性，采用FLAC3D数值模拟软件对比分析煤峪口矿原锚网索支护同新型中空注浆锚索支护条件下回采巷道围岩活动规律。

3.1 数值模型

以406 盘区8605 工作面的回采巷道为研究对象，建立数值模型，利用FLAC3D进行开挖及运算。模型尺寸为400 m×300 m×100 m，划分为46 860个单元，52 640个节点。选用摩尔库伦作为本构模型，四周边界施加位移约束，下边界固定，上部边界施加垂直载荷，水平两侧侧压力系数取1.4。上下回采巷道同时掘进，推进5 m，施加一次支护，开挖支护到y 方向50 m，一次推进到y 方向边界位置；然后以5 m 一个步距对煤层进行回采，回采到y 方向50 m，一次回采到y 方向边界位置。

3.2 数值模拟分析

（1）巷道围岩位移

采用FLAC3D数值模拟软件对其施加原锚网索支护方案以及优化中空注浆锚索补强支护方案，对比两种支护方案下的巷道位移分布特征。选取两种支护条件下距回采巷道同一距离处巷道的剖面图进行对比分析。两种支护方案下巷道的围岩位移特征如图2。

图2 巷道围岩位移分布图

由图2 可知，在两种支护方案条件下，巷道周边围岩位移呈非对称性分布，巷道左侧位移量大于右侧位移量，巷道顶板围岩位移量大于底板位移量。在原方案支护条件下，巷道围岩最大位移位置为巷道顶板及左上帮，顶板最大位移量为201 mm，两帮最大位移量为240 mm；优化支护方案下，巷道围岩最大位移位置为巷道顶板及左上帮，顶板最大位移量为148 mm，两帮最大位移量为160 mm。通过对比可知，采用优化方案，对回采巷道采用中空注浆锚索补强支护后，巷道围岩的顶板和两帮围岩位移量大大降低，顶板和两帮位移量分别下降了26.6%、33.4%。

（2）巷道围岩应力

采用FLAC3D数值模拟软件对其施加原锚网索支护方案以及优化中空注浆锚索补强支护方案，对比两种支护方案下的巷道应力分布特征。选取两种支护条件下距回采巷道同一距离处巷道的剖面图进行对比分析。两种支护方案下巷道的围岩水平应力以及垂直应力分布特征如图3、图4。

由图3 可知，两种支护方案条件下，巷道周边顶底板围岩水平应力呈非对称性分布，两帮应力分布较均匀。两种支护方案下，巷道最大水平应力均分布在巷道顶底板深部位置处，巷道两帮围岩的水平应力明显小于顶底板围岩应力。优化方案下，巷道最大水平应力达到了27.3 MPa，原支护方案条件下最大水平应力达到了28.0 MPa，可知优化方案的围岩应力集中程度小于采用原支护方案应力集中程度。采用优化方案时，围岩的水平应力小于采用原方案的水平应力，且优化方案的围岩水平应力分布更加均匀。

图3 巷道水平应力分布图

由图4 可知，两种支护方案条件下，巷道周边顶底板围岩垂直应力分布比较均匀。两种支护方案下，巷道最大垂直应力均分布在巷道两帮深部位置处。优化方案下，巷道最大垂直应力达24.7 MPa，原支护方案条件下最大垂直应力达25.4 MPa，可知优化方案的围岩应力集中程度小于采用原支护方案应力集中程度。综上所述：采用优化方案时，围岩的垂直应力小于采用原方案的垂直应力，且优化方案的围岩垂直应力分布更加均匀。

图4 巷道垂直应力分布图

4 现场监测

在对8605 回采巷道实施优化支护方案后，对巷道围岩的变形进行现场监测，包括其巷道两帮和顶底板位移量随时间的变化关系，如图5。由图可知，采用优化方案后，巷道两帮和顶底板移近量随着时间的增加不断增加，刚开始增加较快，到30 d 左右时，逐渐趋于稳定。原支护方案条件下，巷道两帮及顶底板平均位移量分别为1136 mm、966 mm；优化支护方案条件下，巷道两帮及顶底板平均位移量分别为266 mm、236 mm。优化后支护方案的巷道两帮及顶底板的位移量分别相比于原方案减小了76.6%、75.4%。由此可知，采用优化支护方案后，巷道围岩变形得到有效控制。

图5 巷道围岩位移随时间变化曲线

5 结论

（1）针对煤峪口矿406 盘区8605 工作面的地质条件，提出了深部软岩回采巷道全断面中空注浆锚索支护技术，该技术能够保证巷道的稳定性和矿井安全生产。

（2）通过数字模拟分析了两种支护方案下巷道的位移特征以及应力分布特征，证明了所提支护方案的可靠性，能够有效控制巷道位移收敛量以及应力集中程度。

（3）在对8605 回采巷道实施优化支护方案后，巷道两帮及顶底板位移量均得到有效控制。优化后支护方案的巷道两帮及顶底板的位移量分别相比于原方案的巷道两帮及顶底板的位移量减小了76.6%、75.4%。