1、数值模拟技术在三软煤层巷道支护中的应用研究摘 要“三软”煤层巷道掘进和支护是当今工程界的一大技术难题，本文结合石屏一矿 21301 采煤工作面的地质情况，采用数值模拟技术的方法对其采场采动支承压力计算和巷道的锚杆支护优化效果进行了研究。 关键词三软煤层；采场；支承压力；巷道支护；数值模拟 中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0042-02 引言 古叙煤田石屏一矿的大部分煤层属于顶软、煤软、底软的“三软”煤层，造成巷道掘进和支护十分困难。虽然多次改变支护方式，巷道仍然出现变形破坏，因此，开展“三软”煤层巷道支护技术研究十分必要，而研究“三软”煤层巷道支
2、护技术时，其采场采动支承压力的计算是不可或缺的因素。本文以石屏一矿 21301 采煤工作面为例，介绍三软煤层采场采动支承压力计算的研究及应用情况。 1、回采工作面概况 21301 工作面长 130m，煤层厚度 3.5m，煤层倾角 240，工作面平均埋深 240m。直接顶为平均厚度 1.3m 的灰黑色砂质泥岩，老顶为平均厚度5.4m 的细粒砂岩；直接顶为平均厚度 0.3m 的粗土岩，老底为平均厚度8m 的砂质泥岩。 2、数值计算模型及力学参数 2.1 模型建立 根据石屏一矿煤矿地质钻孔资料，并考虑计算需要，模型模型高取79.58m 长取 40m，宽取 216m，模型上部采用应力边界，模型上方施加
3、4.9Mpa，其他的采用固支边界条件。建立煤层倾角为 24的模型。考虑到模型计算时边界效应的影响，所以在建立力学模型过程中，使主要研究区域处于边界效应影响的范围之外，以达到更接近实际的计算效果。 （1）力学参数 根据地质资料及实验室岩石力学实验结果，调整后，确定煤层及主要岩层物理力学参数。根据数值模拟经验表明，数值模拟结果是否接近工程实际，取决于参数选取的准确与合理，本次模拟为了更为接近工程实际，主要选取以下参数，煤岩体力学参数如表 1 所示。 （2）模拟方案 为了能比较全面的研究 21301 工作面材料顺槽和运输顺槽在工作面推进过程中的变形破坏规律，首先对工作面在推进过程中的超前支承压力进行
4、模拟。 （3）模拟分析过程 根据模拟方案，整个模拟过程可分为以下几个步骤：建立模型，固定边界并施加水平、竖直方向的等效载荷，进行初始平衡计算；模拟工作面开挖，开挖后对工作面在推进过程中进行分析；对结果进行处理。 2.2 数值计算结果分析 数值计算表明，充分采动后，在工作面前方 46m 处如图 2 所示，最大垂直应力达到 7.98MPa，工作面前方 5m 处的支承压力峰值区分布沿倾斜剖面的分布如图 3 所示，工作面原岩应力为 5.0MPa，则工作面前方巷道围岩采动支承压力峰值系数为 1.6。 3 运输顺槽数值模拟分析 3.1 模型建立 （1）运输顺槽概况 运输顺槽位于 21301 工作面的下部，
5、长度 438m，主要用于回采期间煤炭运输。巷道沿 C13 煤层顶板按中腰线向东开口施工。巷道断面采用异形断面，净宽 4m，巷中净高为 2.8m，巷道北帮的高度不低于 2.1m。若遇顶板破碎，则按拱形断面金属支架进行支护，断面净高 2.91m，下宽4.34m。 （2）模型建立 根据本区域煤层综合柱状，确定模型计算力学模型边界为547440m。煤层的平均倾角为 24，属于倾斜煤层（2226） ，因此，建立模型时，模型倾角按等同煤岩层倾角处理。 （3）力学参数 数值计算中的煤岩体力学参数，参照表 1。 （4）模拟方案 为了对运输顺槽开挖和支护过程的变形、破坏规律，分别为巷道在无支护条件下的变形破坏特
6、征和锚杆支护方案的模拟分析比较，并对两种方案分别进行模拟研究。优化运输顺槽设计为直墙拱形，考虑 200mm预留变形，巷道宽度采用 4200mm，直墙高 2000mm，巷道高度 3300mm。 3.2 运输顺槽变形破坏机理和支护效果 运输顺槽原设计断面无支护状态下的应力场及其变形如图 4（a）所示。可见，顶板临界拉应力区高达 4.2m；巷道顶底变形严重，底臌达40cm，顶板下沉 35cm，顶底移近量高达 75cm；高帮内移量达到 35cm，低帮内移量 15cm，两帮移近量达到 50cm。在采用原设计锚（索）网支护后（图 4（b） ） ，巷道顶板的拉应力区的发育高度降低为 2.6m 以内，巷道高帮
7、移近量减小为 22cm，低帮移近量减小为 7cm，但巷道顶底移近量仍然达到了 55cm 以上，底鼓量几乎没有得到控制。可见，锚杆（索）支护有一定的效果，但是顶板下沉和低鼓仍然较明显，需要对断面及其支护方式进行优化。根据原设计断面支护方案的模拟，提出拱形巷道优化断面方式，如图 4（c、d）所示，加强顶板的控制。可见，采用拱形断面后，巷道顶板的潜在冒落区（绿色部分）由原断面的 2m 降低为 1.2m，宽度范围也由 3.5m 缩小为 2m，巷道顶板的稳定性大大加强。 在巷道的锚杆支护优化方案中，在两帮角布置向下 10倾角的锚杆，加强帮脚控制并抑制底鼓。由于顶板采用了较稳定的拱形，顶板的锚索由原来的
8、7m 降低为 5m。优化支护方案的巷道顶板的拉应力区减小为1m，底鼓也减小 50%左右。巷道的顶底移近量控制在 30cm 以内，两帮移近量也控制在 20cm 左右，巷道围岩稳定，巷道的断面空间可以满足使用要求。 4、结语 （1）巷道在无支护荷载最不利的条件下巷道的变形破坏情况；在同等条件下依据矿上目前的支护措施进行模拟的情况；以及优化支护方案且优化断面情况下的模拟情况。通过多种方案的模拟比较，得出运输顺槽道的应力分布情况、变形规律，为工程实践中巷道支护提供了一定的理论依据。 （2）通过改变原始巷道的断面，解决了梯形断面跨度大的缺点。支护重点从重视局部的控制到了整体，在加强顶-帮-底的一体化，又做好两帮和底板支护的衔接。 （3）实践证明，石屏一矿的三软煤层采场采动支承压力计算是符合实际情况的，对三软煤层的采场和巷道支护起到了很好的指导作用。 参考文献 1 谢和平，彭苏萍，何满潮.深部开采基础理论与工程实践M，北京：科学出版社，2006. 2 周宏伟，谢和平等.深部高地应力下岩石力学行为研究进展.力学进展，2005.02 作者简介 宁望辅（1964） ，男，本科，重庆市，采煤高级工程师，现就职于重庆工程职业技术学院，主要从事采矿专业相关教学与科研工作.
