沿空掘巷围岩稳定性数值模拟及联合控制分析

张志文

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿， 山西 吕梁 033200）

引言

煤矿掘进和开采效率是影响我国煤矿生产能力的主要因素。沿空掘巷技术由于其煤炭回采率高以及对应巷道掘进率低的优势被广泛应用。对于沿空掘巷开采技术而言，实现对其围岩的稳定控制，保证巷道生产的安全生产尤为重要。目前，针对沿空掘巷开采技术对应的支护主要存在投入量大、维护成本高以及返修量大等问题，究其原因在于对沿空掘巷围岩状态掌握不充分，无法采取有效合理的支护措施[1]。本文重点对某沿空掘巷围岩的稳定性进行数值模拟分析，并针对性地采取联合控制措施。

1 11073 运输巷工程概况

本文以保兴煤矿的11073 运输巷掘进工作面为例开展研究，该工作面煤层的平均厚度为2.2 m，煤层厚度范围为0.94～3.53 m；工作面煤层的平均倾角为42°，煤层倾角范围为40°～45°。经探测，工作面煤层的瓦斯涌出量为3.24 m3/t。为保证煤矿安全生产，该工作面开采前采取瓦斯抽放的操作，降低工作面瓦斯的涌出量。11073 工作面的顶底板地质条件如表1 所示。

表1 11073 工作面顶底板地质条件

本文将采用FLAC3D 软件对11073 沿空掘巷围岩的稳定性进行数值模拟分析；结合上述工程实际情况，基于FLAC3D 所搭建的数值模拟模型如图1所示。

图1 FLAC3D 数值模拟模型

所搭建模型在X 方向的距离为150 m，在Y 方向的距离为120 m，在Z 方向的距离为135 m。兼顾数值模拟的充分性、全面性和准确性对模型进行简化，最终将模型划分为15 层。

2 沿空掘巷围岩稳定性的数值模拟分析

本工况沿空掘巷开采时需留设一点宽度的煤柱以保证煤矿的安全生产。本节重点对不同煤柱宽度下对应11073 工作面掘进和回采期间围岩的稳定性进行对比，最终确定最佳窄煤柱的合理宽度，具体探讨的煤柱合理宽度分别为3 m、5 m、7 m 和9 m。

2.1 掘进期间的围岩稳定性的数值模拟分析

以距离工作面切眼为150 m 位置为主要监测点，并对煤柱宽度为3 m、5 m、7 m 和9 m 情况下煤层的内应力进行对比，不同煤柱宽度对应煤层应力值数值模拟结果如表2 所示，随着煤柱宽度的增加，煤柱最大垂直应力逐渐增加，且煤柱的最大应力值所处位置向巷道不断靠拢。

表2 不同煤柱宽度对应煤层及煤柱最大垂直应力

由此说明，随着煤柱宽度的增加煤柱最大垂直应力峰值距离巷道越近。

2.2 回采期间的围岩稳定性的数值模拟分析

同样以距离工作面切眼为150 m 位置为主要监测点，并对煤柱宽度为3 m、5 m、7 m 和9 m 情况下煤层的内应力进行对比，不同煤柱宽度对应煤层应力值数值模拟结果如表3 所示。

表3 不同煤柱宽度对应煤层及煤柱最大垂直应力

如表3 所示，随着煤柱宽度的增加，煤柱最大垂直应力呈现先增大后减小的变化趋势，且当煤柱宽度为7 m 时对应的煤柱最大垂直应力最大[2]。同时，在回采期间煤层最大垂直应力与煤柱宽度的关系不大。

此外，在掘进期间随着煤柱宽度的增加，底板和顶板的移近量增加；说明底板的底鼓量和顶板的下沉量均增加。同样，在回采期间底板和顶板的移近量也在增加，同时在回采期工作面围岩的稳定性较差。

总之，在实际生产阶段，沿空掘巷道内煤柱的留设宽度越小时，对应煤柱的支撑能力较弱，无法对工作面起到很好的支撑作用。随着煤柱留设宽度的增加，对应煤柱的支撑能力增强；与此同时，巷道变形严重，对围岩的控制效果越差[3]。

3 沿空掘巷围岩的联合控制及效果分析

通过上述数值模拟分析可知，在巷道掘进和回采阶段均属于支护的难点。尤其在回采阶段，由于受到二次采动的影响单纯依靠窄煤柱支护已经远远不够，还需采用锚杆和U 型钢等对巷道进行强化支护，实现对巷道围岩的联合控制。

3.1 沿空掘巷的联合控制

结合11703 工作面的地质条件，并基于相关理论计算初步设计三种锚杆支护方案，具体如下：

1）锚杆排矩为800 mm；顶板锚杆间距为700 mm，高帮锚杆间距为800 mm，低帮锚杆间距为800 mm；锚杆直径均为20 mm，锚杆长度为2 500 mm。

2）锚杆排矩为800 mm；顶板锚杆间距为800 mm，高帮锚杆间距为800 mm，低帮锚杆间距为800 mm；锚杆直径均为20 mm，锚杆长度为2 500 mm。

3）锚杆排矩为800 mm；顶板锚杆间距为900 mm，高帮锚杆间距为800 mm，低帮锚杆间距为800 mm；锚杆直径均为20 mm，锚杆长度为2 500 mm。

上述三种锚杆支护方案的主要区别在于顶板锚杆的间距不同。通过仿真分析可知，方案（2）对应的支护效果最佳。因此，在方案（2）锚杆支护的基础上，为其配置匹配的锚索支护方案。结合11703 工作面的实际情况和理论计算，选用直径为15.24 mm，长度为7 200 mm 的锚索联合方案（2）的锚杆对掘巷工作面围岩进行永久支护，对应的支护如图2 所示。

图2 工作面锚杆+锚索永久支护示意图（单位：mm）

在上述锚杆与锚索对掘巷工作面永久支护的基础上，采用U 型钢对工作面进行强化支护。所选用U型钢的型号为U36 型钢材，U 型钢间距和排间距均为800 mm；在U 型钢的基础上行程U 型棚对掘进巷工作面进行强化支护。

3.2 沿空掘巷围岩联合控制效果分析

为验证上述联合控制方案对掘巷围岩的控制效果，选用KBU101-200 顶底板移近量动态报警仪和FCHG/1 无线数据采集器对顶底板的移近量进行监测[4-5]。通过对监测所得数据进行分析，总结得出如下结论：

1）对围岩进行联合支护后，在掘进期间工作面的表现较为明显的两帮移近，其次为顶底板的移近。而且，顶底板和两帮的移近均在可控范围之内。说明联合控制方案的有效性。

2）在回采期间，掘巷两帮最大的移近量为425 mm，顶底的移近量最大为595 mm。并且在回采25 d 后两帮和顶底板的移近趋于稳定。

4 结语

1）采用锚杆+锚索的永久支护方案和U 型钢的强化支护方式实现对工作面围岩的联合控制；

2）通过对支护后工作面的变形情况监测可知，所设计的联合控制方案是有效的。