刘永生

（山西吕梁西山德威矿业管理有限公司，山西 吕梁0330000）

随着采掘深度的不断延伸，在开采厚煤层过程中，回采巷道的支护是煤矿高产高效的关键，在厚煤层放顶煤开采过程中，不同放顶煤宽度及放顶煤采放比下巷道的采动应力演化规律也不同，同时对采场及回采巷道进行有效的控制是放顶煤开采的重要环节，此前众多学者对综放工作面覆岩的运移规律及矿压显现进行过分析，刘伟韬,申建军[1]基于钻孔应力解除法,对矿井底板采动应力演化规律与破坏特征进行了研究。通过现场实测发现，随着工作面的推进，工作面前端煤岩应力扰动不断增大，支撑应力逐步达到峰值。根据支撑压力的演化规律将应力扰动区域分为：未扰动区域（200 m以上）；弱扰动区域（工作面前方100～200 m）；强扰动区域（工作面前方50～100 m）；剧烈扰动区域（工作面前方50 m以内）。李振杰[4]对深部巷道应力演化进行研究。运用数值模拟对深部采动巷道的支护进行分析，为其他矿井相似地质矿山支护提供参考。本文以德顺矿10106工作面为工程背景，对不用采放比及不放顶煤长度下巷道的采动应力分布进行分析，并给出合理的支护方案，保证矿井的安全开采。

1 采动应力演化规律

在10106工作面，不同的端头不放顶煤长度及不同的采放比对煤岩的支撑应力演化规律也是不同，选用合适的采放比及端头不放顶煤的长度会使得工作面开采更加安全，也会提升煤层的产量，同时不同端头不放顶煤长度及采放比对巷道的围岩变形也存在影响，本文利用数值 模拟软件对不同放顶参数下围岩变形进行研究。根据德顺矿的实际地质资料对模型进行建模，模型X、Y、Z向的长度分别为400 m、200 m和70 m，对模型进行网格划分，网格划分的粗细对于模型的计算至关重要，网格划分过细会大大加大计算时间，耽误模拟进度，所以选定合适的网格划分方案。对模型进行边界及约束的设定，根据德顺矿实际地质资料可知覆岩的高度为400 m，体积力为25 kN/m3，侧压系数选定为1，经过计算在模型的上端设定9.86 MPa。模型选定摩尔库伦模型作为屈服准则，建立模型。

首先对采放比1∶2，端头不放顶煤长度3 m、6 m和9 m时回采工作面超前20 m、滞后20 m及80 m时工作面的侧向支撑应力分布情况进行分析，支撑应力分布曲线如图1所示。

图1 端头不放顶煤长度3 m侧向支撑应力分布图（采放比1∶2）

根据图1所示可以看出，超前工作面20 m、滞后工作面20 m及滞后工作面80 m侧向支撑应力曲线呈现相似的规律，都呈现随着距离工作面距离增大，垂直应力呈现出先增大后减小的趋势，当超前工作面20 m时，侧向支撑应力的最大值出现在距离工作面10 m的位置，峰值应力为26.7 MPa，应力集中系数为2.1，在距离工作面3~50 m的范围内为应力升高区，应力的影响的极限范围为47 m，应力集中系数大于1.2的范围为4~27 m，影响的距离为23 m。滞后工作面20 m时，应力峰值出现在距离工作面10 m的位置，应力峰值为27.5 MPa，应力集中系数为2.18，应力升高区的范围为3~55 m，应力影响范围为52 m，同样应力集中系数大于1.2的区域为4~25 m，应力的影响范围为21 m，较超前工作面20 m时有了一定的减小.当滞后工作面80 m时，此时在距离工作面9 m时出现应力的峰值，峰值为27.6 MPa，应力的集中系数为2.19，较滞后工作面20 m时略有升高，应力升高区域为3~60 m，应力集中系数大于1.2的区域影响范围为4~28 m，影响的距离为24 m。同样的对端头不放顶煤长度6 m和9 m进行研究，本文直接给出结果，当端头不放顶煤长度为6 m时，此时超前工作面20 m，应力峰值距离工作面8 m，峰值为26.5 MPa，较高应力升高区范围为4~19 m；滞后工作面20m，应力峰值距离工作面8m，峰值为27.3MPa，较高应力升高区范围为4~18m；此时滞后工作面80 m，应力峰值距离工作面7 m，峰值为27.5 MPa，较高应力升高区范围为4~20 m。当端头不放顶煤长度为6 m时，此时超前工作面20 m，应力峰值距离工作面8m，峰值为26.5MPa，较高应力升高区范围为4~18m；滞后工作面20m，应力峰值距离工作面8m，峰值为27.3 MPa，较高应力升高区范围为4~17 m；此时滞后工作面80 m，应力峰值距离工作面7 m，峰值为27.5 MPa，较高应力升高区范围为4~19 m。

根据对比可知，当采放比一定时，端头不放顶煤长度从3 m提升至6 m时，此时支撑应力略有降低，峰值向回采工作面转移，应力升高区明显减小，高应力升高区范围减小，当长度从6 m增大至9 m时，侧向支撑应力、位置及高应力范围几乎保持不变。

当采放比为1∶1时，端头不放顶煤长度从3 m增大至9 m时，支撑压力曲线的变化规律与采放比1∶2时的几乎相似，侧向支撑应力峰值相似，但应力增高区域的影响范围增大，所以在端头不放顶煤长度一定时，采放比1∶2较采放比1∶1明显较优。当采放比2∶1时，侧向支撑应力变化趋势类似，但应力升高区域的影响范围较采放比1∶2和1∶1时更大，所以无明显优势，所以合理采放比为1∶2，端头不放顶煤长度6 m为放顶煤合理参数。

2 巷道支护方案

对此参数下无支护条件下巷道的围岩应力进行模拟，模拟云图如2所示。

从图2可以看出，在无支护时，巷道掘进期，煤柱处于应力分布较低的区域，塑性区的范围较大，煤柱的侧帮变形量为250 mm，煤柱实体的变形量为170 mm，所以可以看出煤柱实体与煤帮的变形量不同，出现非对称变形，所以需要对巷道进行支护。考虑到巷道的非对称变形，利用锚杆锚索进行联合支护，以削减巷道的非对称性变形，保证巷道的稳定性，支护断面图如3所示。

图2 巷道围岩应力云图

图3 断面支护图

如图3所示，巷道的顶板选用左旋螺纹钢锚杆，锚杆的直径为20 mm，锚杆的直径为2 400 mm，锚杆的间排距设定为940 mm×800 mm，在顶板每排布置6根锚杆，锚杆垂直于顶板进行布置，锚索的选用1770级钢绞线，锚索的规格为Φ21.6 mm×6 200 mm，间排距为1 889 mm×1 600 mm。巷道的两帮支护锚杆同样为Φ20 mm，长度为2 400 mm，间排距为800 mm×800 mm，每排布置4根锚杆，支护为对称支护。对支护完成后的巷道变形进行研究，支护对巷道变形的削减作用明显，有效的保障了巷道的稳定性。3结论

本文以德顺矿10106工作面为背景，采用数值模拟软件对不同采放比及不同端头不放顶煤长度下侧向支撑应力进行分析，给出最佳的放顶煤比和端头不放顶煤长度分别为1∶2和6 m。对放顶煤比1∶2和端头不放顶煤长度60 m下巷道围岩的变形进行研究，给出了巷道的支护方案，支护后围岩的变形量得到了有效地控制，维护巷道稳定性，保证矿井的安全生产。