宋玉亮， 任 杰
(山西坤龙煤业有限公司，山西 吕梁 033000)
随着我国煤炭采掘技术的不断进步，对难采资源的开采成为可能，其中就包括对孤岛工作面煤炭资源的回收[1]。孤岛工作面的开采可以提高煤炭资源利用率，减少资源浪费，同时，使企业实现增产增效。但孤岛工作面的回采会带来许多矿山压力问题[2-3]，尤其是对孤岛工作面回采巷道的支护问题[4-5]，为了保证矿井的安全高效生产，对孤岛工作面的合理支护参数进行深入的研究具有重要的现实意义。
1 工程概况
安盛欣煤业4102掘进工作面位于4#煤层皮带东巷北部，工作面运输顺槽西边为4101工作面采空区，之间留有25 m的区段煤柱；工作面回风顺槽东边为4103运输顺槽，之间留有20 m的区段煤柱；地面相对位置位于回风立井口以东段，方位48°，地表为丘陵，无建筑物和水体，掘进时对地面设施无影响。4102工作面总体地势为南高北低，无陷落柱，无断层，为单斜构造，地质构造比较简单。根据各地面勘探钻孔及资料分析，4号煤层赋位于太原组下部，距离3号煤层43.80 m左右，煤层平均厚度为4.12 m，煤层结构简单，含1层～2层夹矸，属于全区稳定可采煤层，顶板为石灰岩，部分有泥岩伪顶，底板为泥岩。
现以安盛欣煤业4102孤岛工作面回风顺槽为研究对象，采用工程类比及数值模拟的手段对其合理的支护参数进行研究，为其锚杆支护参数的选择提供参考依据。
2 数值模拟研究
基于安盛欣煤业4102孤岛工作面的岩层特征，对其顶板及底板进行了岩石的取样，并在实验室中进行了相应的岩石力学实验，得出了顶底板岩层的物理力学数据，如表1所示。利用FLAC3D5.00软件对4102孤岛工作面回风顺槽采用不同锚杆支护方案时，塑性区破坏及围岩变形情况进行分析。
表1 4号煤层顶底板煤岩力学参数
2.1 模型建立及开挖步骤
根据地层实际情况建立模型并且进行赋值，模型尺寸为400 m×200 m×100 m(长×宽×高)。模型共划分1 262 580个单元，1 309 670个节点。模型4号煤层厚3.6 m，煤层顶板55 m，底板40 m。模型在前、后、左、右及下部均设有固定边界，模型上部施加垂直应力，应力大小为4.93 MPa。模型示意图如第93页图1所示。
模型建好后首先开挖4101工作面和4102工作面运输顺槽以及回风顺槽并支护，等顺槽稳定后(软件运行收敛)，再先后回采4103工作面和4102工作面，为了计算结果和实际情况相符，在开挖巷道周围网格进行加密，以此来确定最佳的巷道支护参数。
图1 4102工作面回风顺槽支护数值模拟示意图
2.2 模拟方案
4102工作面回风顺槽断面为矩形，断面高度均为2.9 m，宽度分别为3.7 m。依据安盛欣煤业的实际地质情况，回风顺槽共提出6种支护方案，通过工程类比和数值模拟确定合理的支护方案，最后回风顺槽有两个方案作为比较方案，具体方案见表2。
表2 数值模拟方案表
2.3 4102回风顺槽数值模拟结果分析
2.3.1 相邻工作面采动影响分析
1) 方案一
建模期间，布置一测点在顺槽，图2显示当4102工作面回风顺槽采用方案一支护时，相邻4103工作面开采后4102工作面回风顺槽测点不同位置时巷道塑性区分布，图2a)显示未受相邻工作面采动影响时，4102工作面回风顺槽围岩矿压显现较小，两帮破坏深度0.5 m左右，小于锚杆锚固长度，可见锚杆起到了锚固作用，巷道底板破坏深度在0.7 m左右，巷道较为稳定。图2b)、c)显示测点位于4103工作面后方0 m、30 m时，4102工作面回风顺槽围岩破坏程度与图2a)基本相同，但在工作面30 m时，回风顺槽右帮破坏深度略有增加，巷道较为稳定。由图2d)、f)可以示出，在距离4103工作面后方大于70 m时，回风顺槽塑性破坏范围显着增加，当位于4103工作面后方170 m处时，塑性区范围已经超出锚杆的有效锚固范围，巷道围岩失稳破坏。
图2 测点位于相邻工作面后方不同位置处巷道塑性区分布图
2) 方案二
第94页图3显示当4102工作面回风顺槽采用方案二支护时，相邻4103工作面开采后4102工作面回风顺槽测点不同位置时巷道塑性区分布，图3a)未受相邻工作面采动影响时，4102工作面回风顺槽围岩较为稳定，两帮破坏深度0.5 m左右，小于锚杆锚固长度，可见锚杆起到了锚固作用，巷道底板破坏深度在0.35 m左右，巷道较为稳定。图3b)～图3f)可以看出，随着相邻工作面4103不断的向前推进，工作面后方4102孤岛工作面回风顺槽塑性破坏范围逐渐增大，但都在锚杆(索)的有效锚固范围内，塑性区破坏深度相对较小，巷道围岩稳定。
图3 测点位于相邻工作面后方不同位置处巷道塑性区分布
2.3.2 各方案模拟结果对比分析
图4是各方案中顺槽顶底板移近量随测点至工作面煤壁距离变化情况曲线；图5为各方案中两帮移近量随测点至工作面煤壁距离变化曲线。从两帮的位移量方面来说，方案二能有效控制两帮变形，两帮位移量减小了48%；从顶底板移近量方面来说，方案二由于增强了支护体强度，巷道底臌量明显减小。
由图4和图5可以分析得到，当4102工作面回风顺槽采用方案二支护时，当4102回风顺槽在4103工作面前方60 m时至后方40 m范围内，4102工作面回风顺槽遭到明显的采动影响，巷道变形剧烈，巷道顶底板和两帮变形较大。
图6为各方案下4102工作面回风顺槽围岩变形量柱状对比图。由图6可知，方案二能起到较好的支护效果，控制塑性区的范围至合理区域，支护强度较大，产生了明显的支护效果，故安盛欣煤业4102工作面回风顺槽应将方案二确定为初始支护方案。
图5 各方案两帮移近量随测点至相邻工作面煤壁距离变化曲线
图6 各支护方案下4102工作面回风顺槽围岩变形量
2.3.3 本工作面回采时4102工作面回风顺槽数值模拟分析
第95页图7a)～c)显示当4102工作面回风顺槽采用方案二支护时，塑性区在工作面前方0 m、20 m、50 m的分布图。图7a)显示1202工作面回采时，4102工作面回风顺槽前方50 m处两帮局部破坏深度1 m左右，底板破坏深度为0.7 m左右，巷道较为稳定。图7b)显示，4102工作面前方20 m处回风顺槽两帮破坏深度为1 m左右，底板破坏深度为1 m左右，巷道开始在4102工作面超前压力的影响，巷道较为稳定。图7c)显示当测点位于4102工作面处时，回风顺槽右帮破坏范围较大，破坏深度达到1.5 m，但仍然处于锚杆有效锚固区内，巷道围岩稳定。
图7 测点位于本工作面前方不同位置处巷道塑性区分布图
3 结论
综合以上数值模拟分析可得，采用方案二对4102孤岛工作面回风顺槽进行支护时，在本工作面及相邻工作面采动影响下，顺槽围岩塑性区破坏范围小，顶底板及两帮移近量得到较好的控制，可以满足4102孤岛工作面安全回采的要求，故可以作为该顺槽的合理支护方案。
