急倾斜煤层沿空留巷支护数值模拟

1、急倾斜煤层沿空留巷支护数值模拟     【摘要】目前急倾斜煤层沿空留巷存在破坏严重、支护困难及支护方式不合理等问题。结合某矿实际开采条件，首先提出了四种不同的锚网索联合支护方式，然后采用离散单元法，对四种不同条件下的急倾斜煤层沿空留巷变形进行了数值模拟。研究获得了急倾斜煤层大范围开采过程的巷道变形规律，揭示了巷道的基本破坏特点是非对称的变形，主要表现为顶板下沉和底板底鼓，支护的重点区域是采空区侧巷道顶板。根据巷道的变形特点，确定采用内强式锚杆和巷旁充填混凝土的支护方法。根据采空侧顶板变形特点，提出了优化巷旁混凝土充填断面和锚网索支护相结合的支护

2、设计的方法，为类似地质条件的急倾斜煤层沿空留巷提供了设计依据。【关健词】急倾斜煤层；沿空留巷；离散单元法；数值模拟；混凝土充填煤层倾角对煤层巷道的开拓部署，巷道的布置和支护的参数、巷道煤柱的留设和回收以及防灭火等许多重要技术问题影响极大2。由于急倾斜煤层开采的特殊性，巷道围岩变形和破坏特点，支护方式将发生较大的变化，长期以来，关于急倾斜近距离煤层回采巷道沿空留巷方面的研究极少，无成熟的经验和理论可供借鉴3-4。本文结合某矿急倾斜煤层的实际，首先提出了四种不同的锚网索联合支护方式，采用离散元软件UDEC，对不同条件下的急倾斜煤层沿空留巷变形进行了数值模拟。分析巷道支护形式、充填体宽度、充填方式和

3、充填体强度等技术因素对沿空留巷变形的影响，探讨煤层巷道围岩变形与破坏的一般规律及合理支护方式，得到最优化的急斜煤层沿空留巷支护方式，为赋存有类似急斜煤层的矿井生产，实现沿空留巷充填体的工业设计提供参考依据。1 矿井煤系地层及开采条件某矿开采的煤层属上三叠系须家河组的煤层，煤系含煤3层，K2为主采煤层，煤层平均厚度1.5m，直接顶为泥岩，厚2.5m，直接底为粉砂岩厚3.5m，老顶为细粒砂岩，厚6.0m，老底为细粒砂岩，厚6.0m，煤层倾角3050°，采空区处理方法为自然垮落法。煤层之间的岩性分布见表1。 表1 煤岩物理力学参数Table 1 Mechanical parame

4、ters of coal and rockmass岩层弹性模量/GPa泊松比容重/kNm-3黏聚力/MPa内摩擦角/()抗压强度/MPa细粒砂岩2.580.1532.003.8363泥岩2.040.1823.041.3291.2煤1.700.3018.500.6200.6粉砂岩1.960.1228.303.1311.62数值模拟2.1支护方案工作面机巷原设计断面为梯形，采用工字钢支护，密度0.6 m/架。最初的小断面尺寸为：顶宽为2.4 m，底宽为2.8 m，高为2.0 m。巷旁支护采用泵送普通混凝土支护已在综采缓斜煤层沿空留巷取得了成功6。此次急倾斜煤层实行沿空留巷设计在巷旁用混凝土充填、巷

5、内采用锚网索联合支护维护巷道稳定，进行模拟研究，为了研究采用普通混凝土巷旁充填的急倾斜煤层沿空留巷的技术，根据充填体的形状和巷道内锚网索支护的位置，提出以下4种支护方式。方式：留巷为梯形断面，顶宽2.4m，底宽2.8m，巷高2.0m，巷道顶板打4根锚杆，2根锚索，锚杆长2m，锚索长6m，泵送混凝土充填体为梯形断面，顶宽0.60m，底宽3.4m，高1.5m。混凝土内1根锚索，长6m，混凝土断面面积3.00784。充填体巷内侧采用单排单体液压支柱进行临时支护，支柱间距1m，距工作面后方约40m回撤，充填体靠采空区侧混凝土体底部打一排木支柱。工作面日推进度为5m，工作面超前20m，采用单体液压支柱配

6、工字钢架设一梁三柱抬棚加强支护，巷道支护方式设计如图1所示。方案：除对左侧边帮增加3根锚杆，混凝土内侧加一液压支柱，其他与方案一相同；方案：对混凝土充填体宽度进行调整，充填为顶宽1m、底宽2m、高1.5m的梯形断面，面积2.26712，其他与方案一相同。方案：在方案三的基础上对左侧边帮增加3根锚杆，混凝土内侧加一液压支柱，其他与方案三相同。   （a）方案一               （b）方案二   （c）方案一

7、               （d）方案二图1  沿空留巷巷旁支护方式设计图（单位m）2.2  数值模型的建立为分析急倾斜煤层开采沿空留巷围岩移动规律及变形特征，采用数值分析软件UDEC，并根据某矿急倾斜煤层综采沿空留巷的现场条件建立相应模型，模型尺寸为100m×100m，共分5个岩层，中间岩层为煤层厚1.5m，直接顶为泥岩，厚2.5m，直接底为粉砂岩厚3.5m，老顶厚6.0m，老底为厚6.0m，煤层倾斜40°，约束

8、条件为两边x方向固定，底部x方向和y方向固定，顶部施加埋深为300m的自重应力，见图2。     （a）数值模型一          （b）数值模型二   （c）数值模型三         （d）数值模型四图2  沿空留巷支护方式数值模型2.3 数值模拟结果及分析通过急倾斜沿空留巷数值模拟，得到了以上四种方案的巷道顶板位移量、底板位移量、左右两帮的位移量，如图3图6所

9、示。（a）底板下沉情况          （b）底板上升情况(c) 巷道左帮变化情况       (d) 巷道左帮变化情况图3  四种支护方案模拟比较（1） 留巷的变形特点从图4(a)可知，工作面顶板主要表现为巷道顶板下沉，顶板下沉量从煤帮到采空侧成线性增加，在距顶板中心0.7m靠近采空区侧顶板下沉达到最大值，约120mm。在四种支护方案中，在方案二支护条件下距顶板中心0.71.2m范围靠采空区侧下沉量最大，方案四下沉量最小。巷道变形主

10、要在靠底板侧的煤帮,底鼓不明显。沿空留巷后，巷道两帮变形主要表现为左帮移近约55mm，右帮约50 mm的变形，两帮总变形量约为105mm，顶底移近量约为135mcm。由图3（b）可知，而底板也有底鼓现象，底板向上隆起变化量与顶板中心距两侧下沉有类似的现象，形成相互错动式变形破坏，即巷道顶底变形量采空侧大于煤帮侧。由图3（a）、（b）的顶板和底板的位移变化的可知，变形量最大发生在巷道顶帮和顶帮角，底帮和底帮角，变形量呈现对角式分布，所以巷道支护的重点是顶帮和底帮。从图3（c）可知，在左帮（煤帮）加打三根锚杆的顶板下沉量减少10mm，底板向上隆起量减少5mm，两帮变形量相应减少，锚杆支护特别适合于

11、巷道的大变形特点，既能够加固围岩，又能够对围岩变形具有一定适应能力。从巷旁充填断面分析，针对巷道的非对称变形，结合煤层和围岩条件，巷旁充填断面设计成为既能适应顶底板交错变形，又具有稳定的拱状效应的断面形式，直角梯形充填方式更为可取，如图3（c）、（d）所示，直角梯形巷旁充填的两帮移近量减少5mm，此外还为采空区顶板加固留出了空间，加打锚索或打木支柱支护。3留巷支护选取及断面优化根据数值模拟，巷道变形破坏主要集中于靠采空区侧顶板和底板，及其上顶帮角和下底帮角。巷道开挖卸载造成的剪切和拉伸破坏。巷道支护的重点是顶帮和底帮上部、顶煤。支护的作用是消除受拉区和增强煤层抗剪性能，支护方式应当选择强化围岩

12、的锚网索支护。从上面四种方案对比图可以看出，方案四比较合理，现去除方案四混凝土内的锚索进行模拟，并与方案四进行对比如图4所示。（a）顶板下沉情况      （b）底板上升情况（c）左帮变化情况       （d）右帮变化情况图4 方案四和五模拟比较方案四与方案五比较，锚索起到一定的作用，方案四比方案五在左帮位移小35mm，最终选择方案四进行现场沿空留巷。 4结  语(1) 在工作面开采的岩层移动影响作用下，急倾斜回采巷道的变形和破坏具有非对称性。研究急倾斜煤层回采巷道的支护，必须首先研究工作面开采后的巷道变形特点。(2) 巷道破坏的主要机理是急倾斜煤层顶板下沉和底板底鼓运动。对于梯形断面，变形破坏主要集中在采空侧顶板和底板，及其上顶帮角和下底板角附近。(3) 对于非对称变形的急倾斜沿空巷道的支护，提出了在巷旁充填混凝土和巷内锚网索支护相结合的支护设计的方法，根据采矿地质条件和顶板变形特点合理优化支护断面形状。(4) 急倾斜煤层沿空留巷的合理支护对于提高煤炭回收率、合理衔接回采工作面、减少巷道掘进率和解决采掘接替紧张等具有重要意义。【参考文献