工作面回采巷道支护优化及数值模拟分析

郝 龙

（西山煤电集团安全监督检查中心，山西 太原 030053）

引言

工作面回采巷道推进过程中极易因围岩应力的改变而发生塑性变形，造成支护设施破坏甚至巷道形变，这对煤炭资源运输、通风及煤矿工作人员的通行都带来了极大的影响，甚至造成安全隐患。因此对巷道的合理支护方案设计，可极大地避免巷道的多次维修或因变形过大失去使用价值，对矿井安全高效生产有极大推进作用。

1 某矿3102 工作面概况

某矿位于山西省晋中市平遥县内，井田面积14.23 km2，可采煤炭储量1.2 亿t，其井下3102、3103工作面主采3 号煤层，平均埋深320 m，煤层地质构造较为发育，煤厚平均4.2 m，近水平煤层，煤体容重1.42 t/m3，普氏系数0.6。煤层顶底板岩性见表1。

表1 煤层顶底板岩性基本情况

某矿3102 工作面回采巷道为矩形，断面尺寸宽×高=4 000 mm×3 200 mm。巷道沿煤层底板掘进，支护方式为锚杆锚索支护，优化前支护断面如图1 所示。锚杆长2 400 mm、直径18 mm，间距为800 mm。采用螺纹钢锚杆支护，顶部悬挂3 根预应力锚索，长度6 200 mm、直径16 mm，间距1 600 mm。在3102 工作面正常回采工程中，该回采巷道变形整体较为严重，表面岩体破碎甚至脱离，经铺设锚网加固及木垛支撑，仍未得到有效改善。现决定对现有支护方式进行优化，为3103 工作面回采巷道的支护提供参考。

图1 优化前3102 工作面回采巷道支护情况简图（单位：mm）

2 巷道破坏原因及支护优化方案

2.1 变形原因分析

1）从岩性方面考虑，由于3102 工作面直接顶直接底岩石硬度较低，且裂隙较为发育，3 号煤普氏系数为0.6，煤质松软，因此具有“三软”特征，该巷道极大的不稳定性容易在采动下发生塑性变形，导致支护设施失效。

2）从现有支护上考虑，锚杆锚索长度较短，均未锚固至基本顶内，未能将上覆岩层统一锚固成整体结构，导致支护效果较差，且支护方式单一，未铺设锚网及锚喷等解决回采巷道片帮、顶板冒落等问题，因此不能满足稳定性要求。

3）由于采动过程的影响，且围岩水平应力大于垂直应力，造成锚杆经常发生剪切破坏，锚索也因超过抗拉强度而造成拉断破坏。经现场调研，巷道破坏又以中部挤压变形、片帮及矩形帮角破坏为主，随着回采工作的进行，巷道变形及片帮问题越来越严重，甚至影响到工作面正常供风及煤炭资源的输送问题。因此该回采巷道支护方式选用不合理，急需进行优化[1]。

2.2 支护优化

总结3102 回采工作面失败支护案例，对3103 工作面进行支护方案优化，从选材与支护方式上作出调整：

1）依据锚杆锚索在较大剪切应力及锚索在抗拉强度下的破断情况，需对支护材质作出相应调整，可适当增大3103 回采工作面支护设施的直径及长度，锚杆锚索直径的增大直观上其支护强度及抗剪强度会显著得到提升，长度增大可将锚固范围提升至更深更稳定的岩层内，提高整体岩层稳定性及锚杆锚索的承载能力[2]。经分析得出，锚杆直径由18mm增至22mm，长度由2 400 mm 增至2 600 mm；锚索直径从16 mm增至20 mm，长度从6 200 mm 增至8 000 mm，打入基本顶内。

2）支护方式上有所变动。根据巷道帮角处易破断机理，在矩形回采巷道两顶角处锚杆分别偏移14°与20°，其中顶部锚杆由之前垂直锚固向两侧偏移20°，端部锚杆向上偏移14°，以确保帮角的稳定性。依据3102 回采巷道在采动过程中的片帮及岩体破碎问题，决定在3103 回采巷道铺设一层锚网（8 号菱形金属网）并在其顶部由锚杆锚索加以固定，具体布置如图2 所示。

图2 优化后3103 工作面回采巷道支护情况简图（单位：mm）

3 数值模拟分析

3.1 建立模型

根据该矿井田地质条件及煤层赋存特征建立3103 工作面回采巷道模型进行数值模拟计算，通过3102 工作面回采巷道实际勘测数据与3103 工作面回采巷道模型进行数据对比，在两个回采巷道内布置20 个测点，3102 工作面实际回采巷道顶板6 个，3103工作面模拟回采巷道顶板6 个，3102 工作面回采巷道两帮与底板各布置2 个，3103 工作面回采巷道两帮及底板布置与其相同。通过监测巷道围岩的应力大小及变形情况来分析比较两支护方案在不同支护方式下的优劣性，对其监测结果进行分析。

3.2 数值分析

巷道在采动影响下其原有的应力场平衡遭到破坏，使应力发生重新分布，围岩本身的支撑能力也会受到影响导致巷道整体发生变形或片帮及顶板冒落等灾害，而由于两巷道不同的支护参数，因此对采动应力的预防削弱效果也产生了较大差异。经过对测点数据进行分析，测算的不同支护方案下巷道围岩应力分布如图3 所示。

由图3 可以看出，水平剪切应力在回采巷道帮部形成卸压区，且上帮为下帮的2 倍左右，在回采巷道顶部出现明显的应力集中，底部也出现应力集中现象，但相对顶部较弱；而垂直应力方面则在两帮出现了明显的应力集中，依然是上帮集中程度大于下帮，而顶部和底部成为卸压区域，两者的面积基本相同。

图3 巷道围岩应力图示

现分析两种支护方式下的回采巷道水平应力情况，如图4-1 所示。水平剪切应力在巷道锚杆末端也就是2.4 m 处开始出现应力集中现象，在原3102 工作面回采巷道的支护方案下其压力显示为25 MPa 左右的数值，而新的支护方案下可以看出应力值得到明显下降，大概为20 MPa，并随着深度的增加，数值在不断减小。在超出锚杆锚固范围之后两种方案都处于原岩应力状态，新支护方案水平应力减小了4 MPa 左右，优化效果较为明显。而两种支护方式下的回采巷道垂直应力情况，如图4-2 所示。虽然两种支护方式在垂直方向上都有卸压能力，但明显可以看出3103工作面回采巷道的卸压能力要高于3102 巷道，这一数值最大达到了3 MPa[3]。由此可以看出，在优化支护材质及支护方式下，巷道的稳定性得到了显著提升，这对提高煤矿巷道支护效率、节省支护成本有重大意义，也减低了煤矿工人的劳动强度及维修工人数量。

图4 回采巷道应力分布图

3.3 数值模拟结论

经过对比原3102 工作面回采巷道与支护优化后的3103 工作面回采巷道围岩应力方面的差异，可以明显看出在水平应力方面优化后的支护方式降低了4 MPa，在垂直应力方面这一优势也依然存在，最大应力降低程度达到了3 MPa。模拟巷道的变形量较小，基本可以保证回采工作的顺利完成，起到回采巷道输送物料、人员的作用。且由于锚网铺设，不会造成片帮或顶板岩体冒落现象的发生，整体围岩及顶板较为稳定。因此，优化后的支护方式有着显著的支护优势，可以应用到3103 工作面回采巷道的实际支护当中。因此对比原本的支护方式，增加锚杆锚索的直径与长度，在易片帮顶板铺设锚网，可以很好地达到增加巷道稳定性的效果。

4 结语

通过对3102 工作面回采巷道变形原因进行分析研究，对3103 工作面回采巷道进行了支护优化方案设计并对两巷道的维护情况进行了数值模拟分析比较。结果表明，采用支护材质及支护方式优化后的3103 工作面回采巷道在支护强度上明显优于原支护方式的3102 工作面回采巷道。优化后的回采巷道在采动过程中能够确保其正常使用，这对巷道围岩控制及提高巷道有效使用率，保障巷道安全及回采工作面正常开采工作有重大意义。在理论上、实际生产中都是一项重大突破，对类似巷道的支护优化有极大参考价值。