220602 回风顺槽支护优化及数值模拟研究

2023-09-09赵俊杰武振国胡亚军

山东煤炭科技 2023年8期

赵俊杰武振国胡亚军

（国家能源集团宁夏煤业公司，宁夏灵武 750410）

随着煤矿开采深度不断加大，软岩巷道支护困难的问题长期困扰矿井正常生产接续[1]。国内外学者从软岩巷道的变形特征[2]、影响因素[3]、数值模拟[4]、现场实测、支护技术[5]等方面进行研究，由于各矿工程条件复杂性和差异性，采用的支护技术也不相同。以石槽村煤矿220602 工作面回风顺槽为背景，采用FLAC3D数值模拟分析现有支护方案支护效果，为类似巷道支护工程提供借鉴与参考。

1 工程背景

石槽村煤矿开采的220602 工作面所处煤层为井田内6 煤层，均煤4.9 m，平均垂深516.5 m。煤层结构简单，属稳定煤层。工作面范围内上距2-2煤底板约140 m，下距10 煤顶板约40 m。煤岩层倾角2°～18°。220602 回风顺槽为直墙半圆拱形断面，掘进断面积17.61 m2。巷道采用锚杆、锚索以及喷射混凝土联合支护。如图1。

图1 原巷道支护断面（mm）

2 现有支护方案模拟

2.1 应力分析

由图2 可知，巷道左右帮的最大z向应力均为15.9 MPa，巷道的顶底板出现拉应力，顶板和底板壁的最大应力为0.5 MPa，远离顶、底板壁的应力为5 MPa 左右。相对于原始地应力12.8 MPa 小很多，说明顶板发生较大应力释放，出现松动圈。巷道底板的z向应力约为1.14 MPa，影响范围约在底板以下2 m，比顶板应力释放区大，易出现反拱。顶板壁的最大x向应力为2 MPa，底板壁的最大应力为1.7 MPa，两帮的最大应力为5.7 MPa，对称分布。

图2 回风顺槽应力分布云图

2.2 位移分析

由图3 可以看出，在支护状态下，位移主要集中在巷道的顶底板且基本呈对称分布，其中顶板最大下沉量107 mm，底板最大位移50 mm。随着距离巷道中心距离的增加，位移量逐渐减小。水平方向位移集中在巷道两帮，两帮处的水平位移最大，均为69 mm，成对称分布状态，方向指向巷道。

图3 回风顺槽位移分布云图

2.3 塑性区

由图4 可以看出，开挖支护后巷道围岩发生塑性变形，巷道围岩破坏为剪切破坏。塑性区主要分布在两帮和顶板处，巷道两帮比顶板塑性区范围大，顶板塑性区域约为0.5 m，两帮塑性区约2.5 m。

图4 回风顺槽围岩塑性区分布云图

2.4 效果分析

现有支护体系下巷道顶板、两帮的位移量、应力释放和塑性区均较小，说明顶板支护强度满足要求、帮部当前支护强度较弱。

3 优化方案模拟

3.1 支护理论验算

1）锚杆长度L验算

经计算得L=2.2 m，即拱部使用L=2.5 m 螺纹钢锚杆能满足支护要求。

2）锚杆间、排距计算

自然平衡拱理论分析设计锚杆间排距s计算公式为：

经计算得s≤1.13 m，即锚杆间排距应不大于1.1 m×1.1 m。

3）锚杆直径d计算

经计算得d顶≥18.1 mm，即顶锚杆直径应不小于18.1 mm。d帮≥18.17 mm，即帮锚杆直径应不小于18.17 mm。

4）拱部锚索长度L 计算

经计算得L≥3.2 m，即根据巷道实际条件及矿方常用锚索长度应不小于3.2 m。

锚索数目N计算公式为：

计算得：N≥1.58，即需要2 根锚索，间距（弧长）不大于4 m。

锚索排距L计算公式为：

经计算得L≤4.03 m，即锚索间距不大于4 m。

5）根据普氏自然平衡拱理论确定帮部锚杆

锚杆长度L计算公式为：

计算得L≥1.8 m，即帮部锚杆长度应大于1.8 m。

3.2 优化支护方案一

优化支护方案一的支护参数为：顶板为长8300 mm、直径为22 mm 的锚索，间排距为1600 mm（每排3 根）×2000 mm，加上长2500 mm、直径为22 mm 的锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm。两帮为长2000 mm、直径20 mm 的锚杆，间排距为800 mm×900 mm。经数值模拟得出，顶板z向最大位移为110.04 mm，底板的最大z向位移为54.762 mm，两帮的z向位移在10 mm 左右。顶底板x向最大位移均为5～10 mm，左右帮的水平位移均为67.6 mm。

顶板和底板壁的最大z向应力为0.5 MPa，远离顶、底板壁的z向应力为5 MPa 左右，两帮的最大z向应力均为18 MPa。顶板壁的最大x向应力为3 MPa，底板壁的最大x向应力为1.5 MPa，远离顶、底板壁的x向应力为4.5 MPa，两帮的最大x向应力均为5.8 MPa。塑性区主要分布在顶板及两帮，顶板两拱角和两帮均为剪切破坏，巷道底板为拉伸破坏，两帮的塑性区范围大致在5 m 左右，顶板两拱角范围在3 m 左右，底板在0.5 m 范围内。

3.3 优化支护方案二

优化支护方案二的支护参数为：顶板为锚索长5300 mm、直径22 mm，间排距1200 mm×1000 mm，帮部为锚杆长2500 mm、直径20 mm，间排距800 mm×1000 mm。方案二模拟结果为，顶板的最大z向位移为110.24 mm，底板的最大z向位移为54.8 mm，两帮的z向位移在10 mm 左右。顶底板的最大x向位移均为10 mm，两帮的水平位移均为69.2 mm。顶板和底板壁的最大z向应力为0.44 MPa，远离顶板壁的z向应力为7 MPa，远离底板壁的z向应力为6 MPa，两帮的最大z 向应力为17 MPa。顶底板壁的最大x向应力为1.59 MPa，远离顶板的x向应力为4.5 MPa，远离底板壁的x向应力为5 MPa，左帮的最大x向应力为5.79 MPa，右帮的最大x向应力为5.7 MPa。

塑性区主要分布在巷道顶板及两帮，两帮及顶板两拱角为剪切破坏，底板为拉伸破坏。两帮的塑性区范围大致在5 m 左右，顶板两拱角在3.5 m 范围左右，底板在0.5 m 范围内。

3.4 方案对比分析

3.4.1 顶板支护方案分析

根据对3 个方案的数值模拟计算对巷道顶板的应力、位移做出对比分析，结果见表1。

表1 回风顺槽顶板优化方案及位移、应力统计

由表1 可知，改变锚杆长度、间排距对横向应力没有太大的影响，因此不再考虑水平应力的影响。与原支护相比，两组优化支护方案的z向应力与位移均无较大变化。

3.4.2 两帮支护方案优化分析

两帮的支护优化方案及计算结果统计见表2。

表2 回风顺槽两帮优化方案及位移、应力统计

由表2 可知，左帮第1 组和第2 组的锚杆直径不变，长度加长，锚杆间排距变小，水平位移变化不大，说明间排距、长度对两帮横向位移没有较明显的影响，查看两帮的x向应力、z向应力，均没有明显的变化。

3.4.3 优化效果分析

综上所述，在仅考虑顶板条件时，原支护的间排距设置过于保守。结合模拟结果，现场可适当增大支护间排距。在3 组方案的对比分析中，巷道的位移与应力均无明显差异，因此可不将应力作为影响因素进行分析。综合考虑支护材料用量，如表3所示，第1 组优化方案较原支护减少了12.6%，在保证巷道生产安全的情况下为最优方案。