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沿空留巷动压区大直径锚索强支护数值模拟分析
摘要：为确保车集煤矿高矿压工作面沿空留巷支护效果，结合工作面实际生产地质条件，采用FLAC3D方法，开展数值模拟，为动压区大直径锚索主动支护方案提供依据。首先分析巷道开挖无支护条件下的围岩应力、位移、塑性破坏区的分布及变化规律；然后分析在支护条件下，2611下巷靠近工作面回采侧采用切顶卸压（切顶10 m）沿空留巷过程中采场矿压显现规律；最后分析采空区上覆岩层稳定过程中，2611下巷超前支护区、沿空留巷段围岩中的应力、塑性破坏区、位移变化和分布规律，为大直径锚索加强主动支护替代单体支护的可靠性提供依据。
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留设煤柱的煤炭开采方式，增加巷道掘进率，导致煤炭回收率降低，特别是针对高矿压、冲击地压以及煤层群回采矿井，还会导致局部应力集中而引发动力灾害或使临近煤层无法解放而造成煤炭资源损失。沿空留巷技术可解决以上问题，还可作为本（临近）煤层的瓦斯治理巷道。我国矿井生产地质条件和采煤工艺复杂，沿空留巷形式众多，其中按照是否构筑充填墙体可分为切顶式沿空留巷和充填式沿空留巷，不同的形式适应不同生产地质条件，但目前仍然存在高矿压矿井沿空留巷系统理论不完备、巷旁支护体的力学性质不能满足高矿压工作面应用、底鼓控制技术缺陷等问题。基于此，以车集煤矿2611工作面为例，在切顶卸压沿空留巷的基础上，对其动压区大直径锚索主动加强支护开展数值模拟工作，为巷道动压区强支护措施提供理论依据，确保沿空留巷工作顺利进行。
1、工程概况
车集煤矿为煤与瓦斯突出矿井，26采区2611工作面采用综采一次采全高采煤工艺，走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。主采山西组二2煤，平均厚度3.11 m，平均倾角13°，最大埋深916.8 m，直接顶板为泥岩和细砂岩互层，基本顶为粉砂岩和细砂岩，直接底为砂质泥岩，基本底为细砂岩。26采区埋深超过800 m，矿压显现明显，为确保采掘接替和便于瓦斯治理，工作面采用切顶卸压沿空留巷。基于以上情况，需根据2611工作面采掘地质条件，分析沿空巷道矿压显现规律，研究动压区大直径锚索主动超前支护技术，为深部综采工作面安全高效开采提供科学依据。
2、数值模拟方法及模型建立
数值模拟采用FLAC3D软件，以2611工作面的采掘地质条件为基础，巷道支护在原锚杆、普通锚索支护基础上增加直径φ28.6 mm的大直径锚索，锚索采用3-2-3布置，靠切顶线的锚索长11.3 m，其余锚索长度为9.2 m。模型中对2611下巷侧的模型单元进行细化，模型中煤岩物理力学参数参照地质报告和相关煤岩力学参数报告。模型中2611下巷超前工作面50 m，沿空留巷段200 m施加锚杆+普通锚索+大直径锚索进行支护，沿空留巷锚杆锚索支护模型图如图1所示。模型中对2611下巷工作面前50 m，工作面后沿空留巷段200 m的顶底板、两帮的位移、应力设置监测点，用来分析巷道围岩的矿压显现规律。
图1 数值模拟模型
3、沿空留巷动压区大直径锚索主动加强支护数值模拟分析
3.1 无支护条件下巷道围岩应力和变形特征
为对比支护效果，首先分析无支护条件围岩应力、位移及塑性区的分布及变化规律，为确定合理的锚杆、锚索布置及参数提供依据。无支护条件下，巷道围岩垂直应力分布和水平应力分布图，如图2所示。
图2 开挖无支护围岩应力分布（单位：Pa)
由图2可知：巷道两帮出现垂直应力集中，垂直应力峰值达到37.63 MPa，顶底板和巷道四角出现水平应力集中，应力峰值达到28.39 MPa，是巷道变形的主要原因，顶板和两帮应力峰值位置距离巷道表面2～3 m，说明表面煤岩体已发生屈服破坏。同样对围岩变形规律和围岩塑性区分布规律进行模拟可知，巷道顶板最大垂直位移21.7 mm，两帮最大水平位移19.6 mm；巷道开挖后顶板塑性区厚度约2 200 mm，左帮约1 600 mm，右帮最大约1 800 mm，底板及两个底角有少量塑性破坏，最大约2 500 mm。
综上所述，虽然巷道变形量较小，但大范围的塑性区说明顶板和两帮潜在的冒落隐患区域较大，巷道开挖后需及时支护。
3.2 无支护条件下沿空留巷采场矿压显现规律分析
2611下巷沿空留巷切顶深度10 m，沿煤层中部的垂直应力及塑性破坏区分布如图3所示，2611下巷顶底板水平应力及塑性破坏区分布如图4所示。
从图3(a）分析可知，无支护条件下，采空区支承压力影响前方30～50 m，垂直应力峰值62.40 MPa，影响后方150 m左右，垂直应力峰值约50 MPa。从图4(a）分析可知，工作面后方巷道底板为水平应力集中升高区，水平应力峰值38.40 MPa，这是沿空留巷底板容易发生底鼓的力学原因。从图3(b）、图4(b）分析可知，由于采场支承压力的影响，下巷煤层中部形成的塑性破坏区规律与支承压力的影响类似，但塑性区范围减小，影响工作面前方30 m，后方约100 m，巷道两帮、顶底板属于塑性区增加的区域。工作面后方巷道底板的塑性区厚度达到4～5 m，是工作面开采前的2倍，这也是沿空留巷容易发生底鼓的直接原因。
图3 无支护条件下煤层中部垂直应力和塑性破坏区分布图
图4 无支护条件下2611下巷顶底板水平应力及塑性破坏区分布图
3.3 锚杆锚索支护条件下沿空留巷采场矿压显现规律分析
2611下巷沿空留巷切顶深度10 m，沿煤层中部的垂直应力和塑性破坏区分布图如图5所示，2611下巷顶底板水平应力和塑性破坏区分布图如图6所示。
图5 有支护条件下煤层中部垂直应力和塑性破坏区分布图
图6 有支护条件下下巷顶底板水平应力和塑性破坏区分布图
从图5(a）分析可知：与无支护相比，煤层中的垂直应力峰值下降了16%，并且由于2611下巷靠工作面侧切顶卸压的作用，煤层中部的支承压力主要分为4个区域：a区影响范围前方50 m，峰值应力52.13 MPa，下帮支承压力大小和集中度大于上帮；b区影响范围后方20 m，峰值应力52.13 MPa，主要影响范围为巷道下帮；c区影响范围后方150 m，峰值应力45～50 MPa，主要影响范围为巷道下帮；d区工作面后方支承压力稳压区，峰值应力50 MPa。从图5(b）分析可知：工作面后方巷道底板为水平应力升高区，应力峰值38.03 MPa，与无支护条件相差不大，是不能从根本上改变底鼓的力学原因。
从图6分析可知：由于支护结构的作用，下巷围岩中部形成的塑性区破坏范围有一定程度减小，巷道两帮及工作面前方顶板比较显著，工作面后方底板塑性区范围与无支护相比变化不大，工作面后方巷道底板的塑性区厚度达到4～5 m，是工作面开采前的2倍，这也是沿空留巷容易发生底鼓的原因。
3.4 沿空留巷超前支护区巷道围岩矿压显现规律分析
工作面采场矿压的影响范围约50 m，按照2 m间隔作不同切片，分析不同位置围岩应力、塑性区分布和变化特征，并结合顶板垂直位移变化分析超前支护段的矿压显现规律。本次仅选取个别切片作展示。
(1）巷道围岩应力变化和分布特征
超前工作面24 m处围岩中的垂直应力分布和水平应力分布图，如图7所示，从图7(a）分析可知：超前工作面前方0～50 m内两帮的垂直应力峰值由52.5 MPa下降到45.2 MPa，与工作面开采前的垂直应力峰值37.63 MPa相比，应力集中系数分别为1.4和1.20，超前支承压力影响范围50 m以上。巷道左帮应力集中程度和范围大于右帮，巷道两帮的垂直应力峰值并没有位于两帮的煤层中部，而是靠近两帮接近底板的位置，这为两帮垂直应力的压模效应在底板产生水平应力集中和底鼓变形创造条件。从图7(b）分析可知：超前工作面前方0～50 m内底板的水平应力峰值由34.4 MPa下降到28.0 MPa，与工作面开采前的垂直应力峰值28.0 MPa相比，应力集中系数分别为1.23和0，超前支承压力影响范围约50 m。巷道底板水平应力集中程度和范围随着距离工作面距离的增加而减小，底板水平应力集中是底板底鼓变形的原因。
(2）巷道围岩塑性区变化和分布特征
工作面前方50 m处围岩中的塑性破坏区分布如图8所示。图8分析可知：回采后，工作面前方由于支护结构作用，2611下巷围岩中部形成的塑性区破坏范围与无支护相比有一定程度减小。工作面前方10 m范围，顶板塑性破坏范围较大，一般大于2 m，工作面前方10 m以外，顶板塑性区厚度一般小于2 m。巷道两帮塑性区范围与无支护相比工作面前方50 m范围影响较大，一般大于2 m。巷道底板的的塑性区范围一般为底板2～3 m的厚度，工作面前方50 m范围底板的塑性区分布变化不大。
图7 超前工作面24 m处围岩垂直应力和底板水平应力分布（单位：Pa)
图8 工作面前方50 m处围岩中的塑性破坏区分布
3.5 工作面后沿空留巷段巷道围岩矿压显现规律分析
由于工作面采场矿压的影响范围大，不同位置巷道围岩中的应力分布不同，所以对工作面后方200 m每5 m做1个切片，分析不同位置的巷道围岩中的应力、塑性破坏区分布和变化特征，并结合顶板垂直位移变化分析沿空留巷段的矿压显现规律。
(1）巷道围岩应力变化和分布特征
工作面后200 m处围岩中的垂直应力和水平应力分布图如图9所示。从图9(a）分析可知：工作面后方20 m范围内左帮的垂直应力峰值达到53.0 MPa，为高应力区；距工作面20～150 m时，应力峰值由52.5 MPa增加到57.4 MPa，为应力升高区，最大应力峰值58.4 MPa，距工作面110 m；距工作面150～200 m时，垂直应力55.6 MPa，为稳压区。由于工作面开采采场矿压的影响，巷帮的垂直应力峰值由两帮煤层中间向巷帮底板位置转移，这为帮部垂直应力峰值压模效应下，底板变形提供力学条件。
图9 工作面后200 m处围岩中的垂直应力和水平应力分布图（单位：Pa)
(2）巷道围岩塑性区变化和分布特征
工作面后方200 m处围岩中的塑性破坏区分布图，如图10所示。从图10分析可知：由于工作面开采后，采场支承压力的影响，2611下巷煤层中部形成的塑性区破坏范围与支承压力的影响范围大致相同，工作面后方100 m属于矿山压力下的塑性破坏区范围增加区，巷道两帮、顶底板属于塑性区增加的区域。100～200 m属于塑性破坏区稳定区，工作面100 m后，巷道左帮、底板的塑性区厚度达到4～5 m，是工作面开采前的2倍，这也是沿空留巷巷帮容易变形和容易发生底鼓的直接原因。另外，由于顶板采用锚杆+普通锚索+大直径锚索加强支护，顶板范围存在一定区域的未破坏区，这为巷道顶板控制提供有利条件。
图1 0 工作面后方200 m范围围岩中的塑性破坏区分布图
4、结语
(1）巷道无支护条件下围岩应力集中峰值超过了煤岩体强度，存在大范围冒落隐患，需及时支护。工作面开采后，采空区形成的支承压力影响范围为工作面前方50 m，工作面后方影响范围150 m，工作面后方巷道底板为水平应力集中升高区，这是沿空留巷底板容易发生底鼓的力学原因。回采后采场支承压力的影响，2611下巷煤层中部形成的塑性破坏区规律与支承压力的影响大致类似，但塑性区范围比支承压力影响范围有一定减小，工作面前方30 m，工作面后方约100 m，巷道两帮、顶底板属于塑性区增加的区域。
(2）采用锚杆+普通锚索+大直径锚索进行支护条件下，沿空留巷采动影响的范围为工作面前约50 m，工作面后方约150 m，与无支护相比，支承压力影响范围大致相同。
(3）采用锚杆+普通锚索+大直径锚索进行支护条件下，超前工作面巷道和工作面后方巷道具有明显的矿压显现规律，锚杆锚索支护结构不能改变矿压显现的应力环境，但可以改变巷道围岩小结构，在一定程度上控制围岩变形，取得较好的支护效果。
参考文献:
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基金资助:国家自然科学基金项目(51874121);
文章来源:蒋恒,巩志力,徐学锋,等.沿空留巷动压区大直径锚索强支护数值模拟分析[J].煤炭技术,2024,43(07):32-36.
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2024-09-02我要评论
期刊名称：矿业工程研究
期刊人气：570
主管单位：湖南省教育厅
主办单位：湖南科技大学
出版地方：湖南
专业分类：煤矿
国际刊号：1674-5876
国内刊号：43-1493/TD
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发行周期：季刊
期刊开本：16开
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2024-07-03
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