大埋深沿空掘巷非对称支护技术的数值模拟研究

杜乐乐

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

0 引 言

沿空掘巷是提高煤炭资源回收率的重要途径。近年来，随着开采方法不断完善和机械装备水平提高，大型综采逐渐成为现代化矿井先进生产力的代表。大型综采必然带来沿空掘巷断面尺寸扩大化、采动影响程度剧烈化和矿山压力显现严重化。

同时，随着开采向深部延伸，沿空巷道变形非对称性也愈加明显。传统煤巷矿压理论与控制技术难以形成对综采沿空煤巷新的不对称破坏形式——顶煤“离层错动”的科学解释和安全控制，亟待进行理论创新和技术改进。现有沿空巷道围岩控制理论有新奥法理论、围岩松动圈理论、围岩强度强化理论、高预应力强力支护理论和围岩支护可靠度理论等，这些理论的形成为巷道围岩支护体系形成和支护技术革新奠定了基础[1-5]。何富连针对沿空掘巷围岩稳定性控制问题，提出了顶板锚索桁架不对称调控理论，主张顶板锚索支护体系整体向煤柱侧偏移，形成对煤柱侧顶板的强化控制；殷帅峰等在不对称调控理论的基础上，提出了沿空掘巷“双锚索桁架”不对称控制理论，即主张不仅顶板锚索体系需要向煤柱侧整体偏移，沿空巷道煤柱帮亦应加强稳定性控制，增加短锚索桁架煤壁支护体系[7-8]。

本文对邢东矿11216 运料巷支护方案进行数值模拟。通过模拟不同顶帮锚索的布置方式下应力分布特征、围岩变形特征来研究各参数与支护作用效果的关系，并确定研究条件下的合理支护参数。

1 支护方案数值模拟分析

邢东矿11216 工作面所采煤层为2 号煤层，工作面标高-800—-970 m，地面标高为+53.8—+59.3 m。煤层平均厚度3.9 m，采用综合机械化充填开采。11216 运料巷临近2227 工作面采空区。

在考虑实际工程条件及简化计算的基础上，对11216 运料巷应用FLAC3D 数值模拟软件建立计算模型；选用Mohr-Coulomb 模型，模型尺寸为：长×宽×高=50 m×20 m×40 m；对模型巷道围岩施加支护，使用cable 单元模拟锚杆（索），并赋予结构单元相应的强度参数及预紧力；限制水平移动，底部固定。

根据确定的模拟方案的关键因素，得出表1 的模拟优化方案。优化后共有6 种方案。方案一为顶锚索2-2-2 布置，煤柱帮、实体煤帮各1 趟帮锚索；方案二为顶锚索2-2-2 布置，煤柱帮1 趟帮锚索，实体煤帮2 趟帮锚索；方案三为顶锚索2-2-2 布置，煤柱帮、实体煤帮各2 趟帮锚索；方案四为顶锚索3-3-3 布置，煤柱帮、实体煤帮各1趟帮锚索；方案五为顶锚索3-3-3 布置，煤柱帮1趟帮锚索，实体煤帮2 趟帮锚索；方案六为顶锚索3-3-3 布置，煤柱帮、实体煤帮各2 趟帮锚索。

表1 模拟方案Table 1 Simulation scheme

图1 为6 种不同支护方案下的预应力场分布。从图中可以看出，当以方案五和方案六布置顶、帮锚索时，能形成以0.05 MPa 为有效压应力边界的预应力场，压应力叠加区域明显，且能够覆盖整个顶板区域，而其他方案中顶板预应力场均未能与巷帮预应力场形成有效连接；当以方案三、四布置顶、帮锚索时，顶板与巷帮预应力场形成连接的程度要优于方案一、二，但煤岩体的压应力均衡程度以及应力扩散效果要弱于后两种方案；比较方案五和方案六，随着帮锚索根数增加，预应力场应力值相应增大，但以方案五布置时足以形成有效压应力场，增加帮锚索对压力值提升不大，且对压应力范围扩大不明显，考虑支护成本及锚杆预应力场扩散效果，方案五为11216 运料巷支护最优方案。

图1 预应力场分布Fig.1 Distribution of prestress field

2 非对称支护现场实施方案

在11216 工作面选取了距切眼100 m 范围的运料巷开展现场试验。结合11216 运料巷外段围岩形变观测数据，顶锚索向偏心距取200 mm。具体支护参数如图2 所示。

图2 11216 运料巷非对称支护方案Fig.2 Asymmetric support scheme of No.11216 transport roadway

（1） 顶板支护。采用φ22 mm×2 400 mm 热轧细牙等强螺纹钢式锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm；顶板采用φ21.8 mm×8 500 mm19 股钢绞线锚索，间排距1 400 mm×1 600 mm。煤柱帮侧顶锚索距巷帮650 mm，实体煤帮侧顶锚索距巷帮1 050 mm。

（2） 巷帮支护。采用φ20 mm×2 100 mm 热轧细牙等强螺纹钢式锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm；煤柱帮侧距顶板1 350 mm 打设1 排φ15.24 mm×4 500 mm 七股钢绞线锚索；实体煤帮侧距顶板1 100 mm、2 200 mm 打设2 排φ15.24 mm×4 500 mm 七股钢绞线锚索，间距1 600 mm，三花眼式布置。

3 现场矿压观测

3.1 巷道表面位移观测

布置一个顶底板及两帮移进量监测站。同时采用十字布点法安设表面位移观测断面，如图3 所示。采用激光测距仪测量各点距离。

图3 巷道表面位移观测断面布置Fig.3 Section layout of roadway surface displacement observation

3.2 表面位移观测结果及分析

如图4 所示，沿空巷道掘进后，巷道表面位移曲线快速上升，在巷道掘进70 d 后趋于平缓；巷道顶帮采取了锚网支护，形变得到一定程度的控制，大量应力在底板释放，因此底鼓最为严重，达到了460 mm；煤柱帮的形变量略大于实体煤帮，基本稳定在230～240 mm；顶板下沉量稳定在40～50 mm。

图4 位移监测曲线Fig.4 Displacement monitoring curve

总的来说，优化后的支护系统在有效控制整体形变的同时，实现了对非对称性形变的控制，能较好的满足安全高效生产的要求。

4 结 论

（1） 通过数值模拟，确定11216 运输巷的支护方案参数可优化为顶锚索呈“3-3-3”排布、实体煤帮锚索为双排排布、煤柱帮锚索为单排排布。

（2） 优化后的支护系统在有效控制整体形变的同时，实现了对非对称性形变的控制，能较好的满足安全高效生产的要求。