1301 工作面辅运顺槽围岩变形特征及支护效果模拟

时间：2024-07-28

李海洋

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西晋城 048214）

随着矿压显现强烈，煤矿巷道支护面临严峻的挑战[1]。锚杆支护是巷道支护技术中最为经济、有效的支护技术[2]。针对玉溪煤矿1301 工作面巷道稳定性与围岩控制方面进行模拟研究分析，研究结果可以为相似矿井的围岩控制提供借鉴依据和参考价值。

1 概况

玉溪煤矿隶属于山西兰花科创集团，位于山西省晋城市沁水煤田南部，划分为2 个盘区，首采工作面为1301 工作面[3]。

1301 工作面位于井田南部，东西走向布置，所回采的3#煤层采用大采高工艺采掘[4]。3#煤层位于山西组下部，为缓倾斜煤层，倾角小于8°，埋深超过500 m，厚度5.1～7.2 m，平均5.85 m。1301 工作面辅助运输顺槽掘进过程中共揭露3 条褶曲，褶曲轴部地应力明显增加，层理发育较明显，需要制定合理有效的支护方案进行巷道围岩控制。

2 数值模拟

2.1 物理模型

为准确建立1301 工作面辅运顺槽在支护前围岩变形破坏特征的物理模型，运用FLAC 4.0 软件进行分析。FLAC 4.0 的运算机理是采用显式有限差分法，利用各节点位移的连续性对机体进行非线性变形分析。根据1301 工作面辅运顺槽的地质条件及巷道特征，选择40 m×30 m 的有效范围进行网格划分，网格单元共计20 711 个（长宽尺寸为149×139）。

边界条件设置：模型上部（即巷道顶部）边界设定为应力边界条件（Stress Boundary Condition）；左右侧（即巷道两帮）边界设定为水平位移约束边界；下部（即巷道底部）边界设为垂直位移约束边界。1301 工作面辅助运输顺槽物理模型如图1。

图1 1301 工作面辅助运输顺槽物理模型图

2.2 模拟结果

FLAC 4.0 为井下巷道的弹塑性分析提供了符合莫尔一库仑强度理论（Mohr Coulomb theory）的材料模拟岩石介质。故本模拟选取弹塑性材料，运用Mohr-Coulomb 屈服准则对岩体的破坏程度进行判断，所获得1301 工作面辅运顺槽围岩（水平、垂直）应力云图和（水平、垂直）位移云图如图2。

1301 工作面辅运顺槽围岩稳定性较差，在未进行支护时，水平应力主要影响巷道顶、底板围岩，垂直应力主要影响巷道两帮围岩。其中两帮受矿压影响最为严重，两侧叠加最大塑性屈服半径达到8930 mm；顶板受影响较小，最大塑性屈服半径仅为两帮一半，为4392 mm；底板处最大塑性屈服半径则为6487 mm。

图3为 1301工作面辅运顺槽围岩四边变形情况。可以看出巷道受破坏影响范围较大且运动剧烈：两帮相对位移最为明显，左右侧累积最大相对移近量602 mm×2=1204 mm；顶板最大下沉量也较大，达841 mm；底板最大底鼓量较小，为169 mm。综合分析辅助运输顺槽围岩的变形破坏特征，判定1301工作面辅助运输顺槽属于Ⅳ类不稳定煤层巷道。

图2 1301 工作面辅运顺槽围岩应力和位移云图

3 支护效果数值计算结果分析

根据1301 工作面辅运顺槽顶底板和两帮围岩变形破坏特征，结合相关案例，对1301 工作面辅运顺槽进行锚杆与锚索联合支护设计，参数见表1。

表1 巷道联合支护规格

根据上述支护方案，再次建立FLAC 4.0 的数值模型，如图4。

通过FLAC 4.0 模拟计算，得到1301 工作面辅运顺槽围岩（水平、垂直）应力云图和（水平、垂直）位移云图，如图5。模拟结果显示，巷道经过支护后，围岩塑性区分布破坏范围缩小明显：顶板减少为1730 mm（支护前为4392 mm），降低了60.6%；两帮累积减少为3036 mm（支护前为8930 mm），降低了66%。综上分析，1301 工作面巷道支护参数优化后，围岩的塑性完整性得到了有效的控制，巷道顶板和两帮的破坏范围也明显降低，如图5。

图4 1301 工作面辅运顺槽支护模型图

图5 1301 工作面辅运顺槽支护后围岩应力和位移云图

断面收缩变形情况如图6。巷道经过支护后，顶底板围岩变形最大位移量减少为439 mm（支护前为1010 mm），降低了56.6%；两帮最大位移量为468 mm （支护前为836 mm），降低了44%。综上分析，1301 工作面巷道围岩变形得到了有效控制。

图6 巷道支护后围岩变形图