202工作面回风巷道支护设计优化的数值模拟研究_李昊.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月中国是煤炭能源大国，同时也是煤炭消耗大国，煤炭的顺利开采对中国能源安全有着重要意义。在采掘煤炭的过程中，合理的巷道支护是煤矿安全高效开采的重要保障。但在巷道掘进过程中，原有支护对围岩的控制作用可能会受到影响，进而造成巷道表面围岩突出。针对这一现象，国内外专家学者利用数值模拟法进行了大量研究。秦涛等1 针对采区1 6号煤层的回风下山巷道围岩变形问题，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，研究了巷道支护力、围岩体力学参数与塑性破坏，支护参数与锚固区围岩体力学参数的关系。郭平等2 为解决运输巷道埋深大、围岩强度低、巷道变形严重、支护成本高等问题，在优化巷道断面的基础上提出了3种巷道支护方案，并采用数值模拟方法对各方案的可靠性进行对比分析，获得优化支护方案，最后对优化方案的可靠性进行现场验证。孙小东等3 针对支护参数优化问题，通过数值模拟不同支护下巷道围岩变形和应力分布情况，从经济和技术角度选取最优参数，最终提出了分区域分阶段锚网索协同互补支护方案。郝龙4 通过分析一矿3 1 0 2工作面回采巷道支护上存在的问题及巷道失稳原因，对回采巷道支护进行优化，在3 1 0 3工作面回采巷道选用优化后的支护材质及支护方式，并对原有3 1 0 2工作面回采巷道进行数值模拟分析。王贤来等5 分别对比未支护和支护两种条件下巷道变形和破坏特征，确定采用设计的支护方案可有效减小巷道围岩变形程度并降低围岩塑性区深度。本文同样采用了数值模拟的分析方法，针对A煤矿2#煤层2 0 2工作面回风巷道存在的围岩顶板与两帮突出问题，设计了两种支护优化方案，并利用F L A C3 D软件分析其应力位移云图得出最优选，最后经过施工实践验证优化后支护方案的可行性，有力地保障了巷道的安全高效掘进。1地质与工程概况A 煤矿位于山西省大同市境内，其2#煤层为主要开采煤层，所处地层主要为二叠系下统山西组，埋藏收稿日期：2022-10-26基金项目：国家自然科学基金面上项目（52274081）；河北省自然科学基金面上项目（E2021508011）；河北省科学技术研究“青年拔尖人才”项目（BJ2020208）第一作者简介：李昊，1996年生，男，江西南昌人，在读硕士研究生，主要从事安全工程方面的研究。202 工作面回风巷道支护设计优化的数值模拟研究李昊，李娅琪，郑鑫健（华北科技学院安全工程学院，河北 廊坊0 6 5 2 0 1）摘要：为了解决原有支护无法有效控制巷道围岩变形等问题，针对性设计了两种支护优化方案，并通过F L A C3 D软件对支护方案进行数值模拟，分析了优化前后的围岩应力与位移云图结果，从而得出最优方案。经过现场施工实践，由矿压观测结果可知，优化后方案的围岩顶板位移从1 1 4m m下降至6 2m m，两帮位移从9 2m m下降至5 4m m，巷道围岩控制效果明显，优化方案可行。关键词：支护优化；数值模拟；回风巷道中图分类号：T D 3 5 3文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 0 1 8-0 5Numerical Simulation of Support Design Optimization of Return Air Roadway in202 Working FaceLI Hao,LI Yaqi,ZHENG Xinjian(School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201,Hebei,China)Abstract:In order to solve the problem that the original support can not effectively control the surrounding rock deformation ofthe roadway,two support optimization schemes were specifically designed,and the support scheme was numerically simulated byFLAC3Dsoftware,and the surrounding rock stress and displacement nephogram results before and after optimization were analyzed,so as to obtain the optimal scheme.According to the field construction practice,the rock pressure observation results show thatthe roof displacement of surrounding rock in the optimized scheme decreases from 114 mm to 62 mm,and the displacement ofboth sides decreases from 92 mm to 54 mm.The surrounding rock control effect of the roadway is obvious,and the optimizedscheme is feasible.Key words:support optimization;numerical simulation;return air roadway（总第2 1 0期）能源产业1 8 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0272 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月岩层类别岩层名称厚度/m密度/（103kg m-3）体积模量/（109Pa）切变模量/（109Pa）内摩擦角/()内聚力/（106Pa）抗拉强度/（106Pa）老顶粉砂岩13.632.611.511.13611.64.9直接顶碳质泥岩5.171.95.78.9316.92.0煤层煤3.601.41.32.3281.90.7直接底泥岩7.872.06.26.5375.41.8老底中粒砂岩11.772.712.512.53511.95.1表 1 煤岩层力学参数深度在4 3 9 5 0 2m，煤层倾角26，煤层厚度2 6m。该煤层煤质优良且赋存稳定，存在1 3层夹矸，平均厚度约为0.1m。正在进行采掘工作的2 0 2工作面平均埋深4 6 8m、倾角3、煤层厚度3.6m，直接顶和底板以泥岩、碳质泥岩为主，老顶以粉砂岩、中粒砂岩为主。各煤岩层力学参数如表1所示。2 0 2工作面回采巷道为矩形，巷道沿底掘进，断面设计尺寸（宽高）为42 0 0m m 30 0 0m m。按照原有支护设计进行巷道开掘工作时，顶板中部、两帮顶部变形较大，不利于采掘工作的安全进行。为了保障施工安全，在合理范围内对原有支护设计进行优化。2支护方案优化研究2.1原有支护设计与存在的问题原有巷道设计支护参数为：顶锚杆为左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，锚杆参数2 2m m 22 0 0m m，按照8 0 0m m 8 0 0m m 间排距、每排5根锚杆方案施工。帮锚杆为左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，锚杆参数2 2m m 22 0 0m m，按照8 0 0m m 8 0 0m m 间排距、每排4根锚杆方案施工。顶锚索为高强度预应力钢绞线，锚索参数1 7.8m m 62 5 0m m，采用24 0 0m m 16 0 0m m 间排距、每排2根锚索并向煤帮方向呈1 0倾角的方案施工，同时采用尺寸为1 0 0m m 1 0 0m m 的钢筋网进行补强支护。另外，按照十字布点法安装测距仪，监测巷道表面位移变形。原有支护设计如图1所示，原有支护巷道围岩变形曲线如图2所示。图 1 原有支护设计图单位：mm由现场矿压观测与图2可知，巷道顶板与矩形帮角的煤体破坏严重，且随着掘进距离的增加，顶板的位移在0 1 0 0m 时表面位移迅速上升至1 0 0m m，同时在1 0 0 1 3 0m 时达到最大值1 1 4m m；两帮的位移在0 1 1 0m 时表面位移迅速上升至8 6m m，同时在1 1 0 1 3 0m 时达到最大值9 2m m，而后均趋于平缓。较大的巷道变形严重影响施工安全，急需对原有支护方案进行优化。顶部锚索 2 17.8 mm，L=6 2502 400 1 600顶部锚杆 5 22 mm，L=2 200800 800帮部锚杆 4 22 mm，L=2 200800 8004 2002 4008008008008005005008008008008008008003003003003008080L.长度。李 昊，等：2 0 2工作面回风巷道支护设计优化的数值模拟研究1 9 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 2 原有支护巷道围岩变形曲线2.2支护优化方案设计根据现场实际情况以及相关实例6-7，针对性设计了两种支护优化方案。第一种优化方案为在原基础上增加补强锚索，在顶板与两帮中部位置增加高强度预应力钢绞线补强锚索，锚索参数分别为1 7.8m m 62 5 0m m 和1 7.8m m 42 5 0m m，补强支护的钢筋网尺寸优化为5 0m m 5 0m m；第二种优化方案为增加顶锚杆数量至6根，按照8 0 0m m 8 0 0m m 的间排距施工，两帮中部位置增加高强度预应力钢绞线补强锚索，锚索参数分别为1 7.8m m 62 5 0m m 和1 7.8m m 42 5 0m m，补强支护的钢筋网尺寸优化为5 0m m 5 0m m。两种支护优化设计分别如图3、图4所示。单位：mm单位：mm图 3 方案一优化支护图图 4 方案二优化支护图顶部锚索 3 17.8 mm，L=6 2501 200 1 600帮部锚杆 4 22 mm，L=2 200800 800帮部锚索 1 17.8 mm，L=4 2501 600 排距顶部锚杆 5 22 mm，L=2 200800 800顶部锚索 2 17.8 mm，L=6 2502 400 1 600帮部锚杆 4 22 mm，L=2 200800 800帮部锚索 1 17.8 mm，L=4 2501 600 排距顶部锚杆 6 22 mm，L=2 200800 8002 400800 800800800 80010010080801 2001 2008008008008005005008080800800800 300300800800800 3003001 5001 5004 200800800800 3003001 500800800800 3003001 5004 20012010080604020巷道表面位移/mm顶板位移两帮位移10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001101201301401500工作面推进距离/m2 0 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月3支护方案的数值模拟研究在考虑实际工程条件及简化计算的基础上，参考相关数值模拟文献8-1 1，采用F L A C3 D对不同支护优化方案进行数值模拟计算。本构模型选用M o h r-C o u lo m b模型，模型尺寸（长宽高）为1 0 0m 2 0m 4 0.3 8m。3.1原有支护方案数值模拟结果为解决现有支护存在的问题，利用F L A C3 D软件进行数值模拟计算分析，可得到图5所示的围岩垂直应力及位移分布与图6所示的水平应力及位移分布。图 5 原有支护方案的垂直应力与位移云图a)垂直应力图b)垂直位移图图 6 原有支护方案的水平应力与位移云图a)水平应力图b)水平位移图图 7 方案一支护的垂直应力与位移云图a)垂直应力图b)垂直位移图图 8 方案一支护的水平应力与位移云图a)水平应力图b)水平位移图根据数值模拟结果，如图5所示，巷道围岩垂直应力在顶板中部出现明显的应力