沿空留巷围岩支护优化研究

2022-09-26王卓

山西冶金 2022年4期

王卓

（山西凌志达煤业有限公司，山西长治 046000）

随着我国经济的快速发展，我国对能源的需求量呈现稳中有升态势，而在我国众多的能源形式中，煤炭资源无疑是我国能源的中流砥柱。随着我国提出可持续发展战略，众多小煤矿已经被勒令关闭，我国煤矿的开采逐步向着大中型矿井转移。据不完全统计，煤炭资源在我国一次能源消费占比约70%，所以大部分国民消费由煤炭资源支撑起来的。为提升煤炭采出率，提出无煤柱开采技术，而无煤柱开采技术的关键是沿空留巷围岩控制，如果无法保证沿空留巷围岩的稳定性，无煤柱工作面的开采安全性无法得到保证，严重威胁着矿井的正常开采，所以对沿空留巷工作面进行有效的支护是十分重要的[1-2]，此前众多学者对沿空留巷支护稳定性进行过一定的研究，但较多的研究集中在支护参数，对支护整体效果的研究较少[3-4]。所以本文以某矿为研究背景，利用数值模拟软件，对沿空留巷围岩支护稳定性进行研究，为沿空留巷无煤柱开采技术的实行提供一定的参考。

1 矿井概况

1201 工作面主采2 号煤层，煤层平均厚度为7.1 m，一次采高3.5 m，煤层倾角为1°左右，为近水平煤层，开采煤层的埋深平均值为430 m。目前巷道支护方案如下：巷道沿煤层底板布置，巷道的断面尺寸为5.0 m×3.8 m。在巷道顶板布置7 根Φ22 mm×2 400 mm 的高强度螺纹钢锚杆，顶板锚杆间排距为0.8 m×0.8 m，巷道的两帮打设5 根Φ22 mm×2 400 mm 的高强度螺纹钢锚杆，两帮锚杆的间排距同样设定为0.8 m×0.8 m。同时为了避免顶板岩层出现离层情况，在顶板布设Φ18.9 mm×8 300 mm 的钢绞线锚索。在完成留巷后，搭建1.2 m 宽的混凝土巷旁充填体，巷帮充填体的高度随巷道高度变化而变化。沿空留巷原有支护方案下巷道变形严重，巷帮充填体出现倾斜、破碎情况，所以对原有支护方案进行优化设计，保证沿空留巷的稳定性。原有支护设计方案如图1 所示。

图1 原有支护方案（mm）

2 数值模拟研究

利用数值模拟软件对沿空留巷锚杆支护参数进行模拟研究，以1201 工作面为研究工程背景，建立模型，模型的长×宽×高分别设定为200 m×120 m×60 m，完成模型设定后，对模型进行网格划分，在进行网格划分时，充分考虑计算时间及计算精度，在巷道边缘进行粗划分，在模型的边界进行网格的粗划分。完成网格划分后对模型进行约束设置，在模型的顶部施加均布载荷P，均布荷载值由覆岩的自重计算所得，同时在模型的两侧和底部施加垂直约束和水平约束，对模型进行物理参数设定，在进行物理参数设定时，需要充分考虑实际情况。完成模型物理参数设定后对模型进行模拟分析，首先对回采距离工作面前方距离进行分析，选定距离分别为3.6 m、7.2 m、13.2 m、16 m，模拟云图如2 所示。

从图2 所示，随着工作面推进巷道围岩的应力重新分布，此时在距离采空区边缘的沿空留巷由于受到工作面开采扰动影响，使得应力出现明显的变化。在巷道周围约20 m 范围内的岩体均会受到回采扰动影响。随着应力扰动的增加，巷道围岩应力影响范围也会出现一定的变化。距离工作面不同距离下煤帮围岩的应力出现逐步增大的趋势，这是由于随工作面的不断推进，锚杆的支撑应力不断前移，此时基本顶能量快速聚集，当基本顶的能量聚集至断裂强度时，基本顶断裂能量释放，基本顶出现回转变形并保持稳定。此时巷旁充填体侧应力呈现增长状态，同时对比巷帮充填体与煤体的应力可以看出，煤体应力峰值小于巷旁充填体。

图2 滞后工作面不同距离应力云图

对滞后工作面不同距离下巷道锚杆支护轴向平均应力进行分析，将煤帮、柔模帮及巷道顶板的锚杆应力曲线进行绘制如图3 所示。

图3 不同距离下巷道锚杆支护轴向平均应力曲线

从图3 可以看出，随着距离滞后工作面距离的不断增加，巷道煤帮、顶板的锚杆轴向力均呈现逐步增大的趋势，当距离滞后工作面3.6 m 时，此时的巷道煤帮及顶板的锚杆轴向平均应力值分别为9.1 MPa和5.8 MPa，随着距离滞后工作面距离增大至16 m时，此时巷道煤帮及顶板的锚杆轴向平均应力值分别提升至11.6 MPa 和7.1 MPa，分别提升了2.5 MPa 和1.3 MPa。观察巷帮充填体的锚杆轴向平均应力值可以看出，随着距离滞后工作面距离的增加，巷帮充填体的锚杆轴向平均应力值几乎不会发生较大的改变。随着滞后工作面的距离不断增加，此时在巷道煤帮、顶板与巷旁充填体的锚杆平均轴向应力分别增长约27.4%、22.4%和5.3%。

根据模拟结果对原有支护方案进行优化，给出两种优化方案，分别如下所述。优化方案一：在原有支护方案的基础上，将顶锚杆调整为8 根，顶锚杆的间排距调整为为700 mm×700 mm，其他参数不变；优化方案二：选用锚杆型号与原支护方案相同，将工作面的侧煤帮锚杆数量降低为4 根，同时将顶板的锚杆位置做出一定的调整，一次来提升煤帮侧的顶板支护密度，同时在柔模混凝土巷旁充填体的对拉锚杆数量由5 根改为4 根。分别对原有支护方案及优化方案下的巷道围岩变形量进行统计，如表1 所示。

表1 巷道围岩变形量统计表 mm

在开始工作面回采后，此时从表1 可以看出，原有支护方案下巷道顶板下沉量为47.2 mm，巷道底鼓量为20.6 mm，两帮的移近量为112.4 mm，顶底板的移近量为67.8 mm。经过支护优化后，支护优化方案一和方案二的巷道围岩变形量均有了一定幅度的降低，顶板下沉量较原方案降低了9.3%和18.4%，对比优化后的底鼓量可以看出，两种优化方案下底鼓量减小幅度不大，而巷道两帮移近量分别降低了6.2%和13.1%，所以对比分析可以看出，方案二的支护优化效果较方案一有所增强，所以选择方案二。