丁晓飞

（国家能源集团神东煤炭集团柳塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017205）

1 概况

神东煤炭集团柳塔煤矿位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗，现开采22 号煤层。东部盘区的22101-1 工作面为22 煤首采面，长度235 m，工作面回风巷侧上方为12 煤12110 综放工作面采空区，正上方为乌兰木伦12 煤12209 普采工作面采空区，运顺侧上方为乌兰木伦12 煤12207 普采工作面采空区。

22101-1 工作面沿煤层倾斜布置，沿走向推进，沿22 煤底板回采，采用走向长壁后退式采煤法，平均煤厚3.0 m，结构中等，倾角1°～3°。直接顶为1～5.8 m 的粉砂质泥岩，质地较为松软；基本顶为15.8～20.5 m 的中粒砂岩，泥质胶结；直接底为5.4～13.1 m 的粉砂质泥岩，水平层理及波状层理发育。

22101-1 工作面主回撤通道2～3 联巷揭露22F31正断层（断层产状：倾向198°，倾角40°，落差5.1 m）和22F32 正断层（断层产状：倾向6°，倾角40°，落差3.0 m）。两断层倾向相对形成宽度约3.2 m 小型地堑，两断层叠加后实际落差2.1 m，预计在22101-1 工作面推进至距离主回撤约90 m 时揭露。

2 FLAC3D 数值模拟分析

2.1 模型的建立

为准确预测支护前后巷道围岩的应力分布和塑性区变化情况，选择专业岩土分析软件FLAC3D进行巷道支护的模拟[1-2]。

数值模拟地层示意图如图1，模型尺寸设定为50 m×30 m×30 m，共划分单元体45 000 个，建立节点65 226 个。巷道两帮的侧边界设置为水平位移，底边设置为垂直位移，模型上边界施加 6.8 MPa 荷载，代表上覆岩层重力引起的平均应力。

2.2 模拟过程

为掌握工作面采掘过程中原岩应力扰动及分布的情况，将在建模成功后对模型进行初始化设置。利用 FLAC3D运算步数进行求解过程的控制，存储不同时间点巷道围岩水平应力和垂直应力的影响情况，分析巷道围岩塑性区变化的动态过程。

图1 22101-1 工作面地层示意图

2.3 模拟结果

在巷道挖掘初期，巷道围岩仅部分应力得到释放，在巷道顶底板、左右两帮处出现轻微破坏现象。当挖掘模拟进行到200 step 时垂直应力释放范围明显增大，开始对巷道顶板造成破坏，并于巷道两帮出现应力集中现象，如图2（a）。当挖掘模拟进行到800 step 时，垂直应力对巷道两帮的破坏进一步增加，应力释放面积不断扩大，垂直应力集中区出现在与巷道两帮相距1.9 m 的范围内，如图2（b）。当挖掘模拟进行到 2000 step 时，巷道围岩应力释放趋于稳定，垂直应力对顶板的破坏深度超过2 m 范围，顶板附近空间的垂直应力在0～3 MPa 之间。

图2 巷道垂直应力分布图

根据结果，模拟进行到2000 step 时顶板受垂直应力破坏严重，应力集中区逼近巷道两帮2 m 范围内，最大垂直应力集中值为12 MPa，应力集中系数1.8。巷道两帮需要进行支护加固处理，最终围岩控制效果直接影响到巷道稳定性。

水平应力与垂直应力对围岩的影响结果相近，当挖掘模拟进行到200 step 时，水平应力对巷道底板围岩的影响开始出现，如图3（a）；当挖掘模拟进行到800 step 时，由于巷道为煤岩混合巷道，巷道底板强度高于顶板强度，此时水平应力释放面积扩大，两帮的受破坏程度变强，如图3（b）；当挖掘模拟进行到2000 step 时，巷道两帮与顶板受水平应力影响变形严重，产生1.5 m 的破坏范围，如图3（c）。

图3 巷道水平应力分布图

在巷道挖掘的初始阶段，巷道两帮和底板主要受压剪破坏以及拉伸破坏，顶板则受拉、剪应力共同作用下的破坏影响。当挖掘作业小于200 step 时，巷道顶底角处主要受垂直应力和水平应力产生的拉、剪破坏。随着巷道的挖掘，围岩塑性破坏向深部转移。当挖掘模拟进行到2000 step，阶段矩形巷道顶角位置出现较大范围剪切应力，巷道剪应力在巷道顶角位置形成深度约为3.0 m 范围的剪切塑性区，塑性区强度较小时，存在巷道大面积冒顶等安全隐患。

3 支护方案的确定

根据FLAC3D对工作面巷道围岩的模拟结果分析，并结合22101-1 综采工作面顶、底板岩性、煤层厚度及埋深等条件，决定选用 ZY12000/18/35D型双柱支撑掩护式电液控液压支架及其配套的端头支架液压支架进行支护，移架步距为865 mm，端面距不大于400 mm[3]。

运顺掘进时采用锚杆、锚索、冷拔丝网联合支护，回顺掘进时采用锚杆、锚索、冷拔丝网联合支护，回采时运顺采用单体液压支柱进行超前支护，采空区采用直接垮落法管理顶板[4]。巷道净宽5.4 m，净高2.8～3.0 m，每排施工6 根Φ16 mm×2100 mm锚杆，排距为1 m，折算2.22 根/m2；每排施工2根Φ17.8 mm×6500 mm锚索，排距为5 m，折算0.15根/m2。

在充分考虑支护效果和模型精准度后，再利用FLAC3D进行模拟，如图4。

图3 联合支护方案效果图

模拟结果发现，在锚杆-锚索-冷拔丝网协同支护作用下，巷道围岩支护应力场应力值在100 kPa（±20 kPa）左右。应力分布方面，巷道顶板垂直应力降高度约为 5.3 m，应力值趋于0.4～1.9 MPa，应力系数降低至0.15～0.79，对顶板的破坏小于1 m；水平应力集中区缩小至0.75 m 处，应力值在0.79～1.4 MPa 之间，改善效果明显。同时，上述支护方案通过对锚杆长度的增加，使得巷道顶板和两帮的锚固结构在围岩部分形成环向锚固体，巷道顶角塑性破坏深度大幅减小，约为1.4 m，降低53.3%，两帮塑性区深度为 1.8 m，帮锚杆锚固段均在巷道塑性区范围外，可以确保锚杆支护维持较强的稳定性。

4 结束语

为保证22101-1 工作面顺利回采，针对巷道围岩的应力分布和塑性区变形规律做出了FLAC3D模拟研究。综合考虑煤层地质特征和企业经营成本等方面，对确定的巷道锚杆-锚索-冷拔丝网联合支护方案的支护效果进行模拟研究，发现支护后巷道所受水平应力和垂直应力有效降低，塑性区破坏范围减少53.3%，能够满足安全生产的需要。