王永祥
山西潞安集团余吾煤业公司，山西 长治 046103
摘要：余吾矿S1205工作面的回风巷作为沿空留巷的巷道受到邻近工作面回采和巷道掘进的影响，原有的支护参数不能满足实际现场安全生产的需要。为了保证沿空留巷巷道围岩的稳定性，结合现场实际情况，运用FLAC3D软件建立沿空留巷20m煤柱数值模型，通过在5种不同支护方案情况下S1205工作面回风巷道顶底板及两帮围岩的应力分布特征进行数值模拟和分析，得到最优支护参数。现场实测表明，优化后的支护方案能够使巷道顶底板及侧帮变形量达到最低，能够保证沿空留巷巷道围岩的稳定性。
关键字：沿空留巷；数值模拟；支护方案；应力分布
1 引言
工作面煤柱宽度大小对于沿空留巷成效好坏有非常重要的作用，对于沿空留巷之后工作面能否安全稳定的生产也密切相关[1,2]，但是并不是越宽越好[3]，经过长期的生产实践摸索和数据分析，结合现场实际情况，考虑经济效益和巷道稳定性等综合因素，确定沿空留巷煤柱宽度为20m，但是目前的巷道支护方案不能有效保障巷道的稳定性和安全生产，因此对原有的支护方案进行优化，选择较好的支护参数有效保证沿空留巷巷道围岩的稳定性是本文研究的重点。
2. 工程概况
2.1 地质条件
如图1所示，S1205综采工作面位于南一采区的东南部，在它的西面是四条采区大巷，东面紧邻郭庄煤业的矿界，南面紧挨S1207工作面（未掘），北面相邻S1203工作面，与S1205回风巷道之间的煤柱尺寸是20m。S1205工作面回风巷巷道目前已经掘进1050m，还余400m，巷道掘进施工沿3号煤层顶板进行，留有底煤，属于沿空留巷。
S1205回风巷除了受到自身回采的影响外，也受到来自北部的S1203采空区和来自南部的S1205尾巷掘进的影响，这三种采掘活动对S1205回风巷顶底板及两帮围岩的稳定性造成较大影响。本文运用FLAC3D数值软件，对S1205回风巷的使用过程中巷道顶底板及两帮围岩的受力特征进行分析，为支护参数的优化工作及选择较好的支护形式提供强理论依据。
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2.2 原支护方案及参数
S1205回风巷巷道断面尺寸是5.2×3.1m，顶板支护每排4根直径Φ20mm的螺纹钢锚杆，长度2.4m，锚杆托盘为100×100×8mm球形锚杆托板，锚杆配合W钢带护顶使用。
帮部每排布置4根圆钢端头麻花锚杆，规格为Φ20mm-2000mm，搭配铸铁花式托板，规格为350×120×40mm。帮锚索使用的是Φ21.6×5200mm的预应力钢绞线，锚索配合使用14号槽钢作为托盘，以及300×300×16mm平托板进行联合支护，每4米一组。
2.3 存在问题及原因分析
S1205回风巷巷道开口后沿岩石顶板掘进，从井下巷道变形情况来看，由于S1205回风巷沿石灰岩顶板掘进，巷道顶板的围岩强度较高，稳定性较好，掘进后巷道顶板和两帮的成型较好，巷道顶板和两帮表面看来较为平整，变化程度不明显，属于巷道正常地段。但是由于邻近工作面及巷道采掘活动的影响，局部巷道变形和破坏的程度严重，需对现有支护方式进行优化。
3 巷道支护设计方案优化数值模拟
3.1 数值模型
根据实际现场情况和工程地质条件设置参数，建立了煤柱尺寸20m情况下的工作面计算模型，模型尺寸为100000×150000×80000mm，如图3所示。三维模型的边界条件取为：上部为自由面边界，四周和底部使用铰支。
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3.2 模拟方案
现场调研发现3号煤层软，巷帮节理裂隙发育，巷道支护难度较大，井下巷道曾经采用全锚索进行支护，但是支护强度大，掘进速度不快，支护的效果也不太好。结合余吾矿采掘现场实际情况选择5种具有代表意义的支护方案进行讨论，根据5种不同的支护参数建立巷道支护数值模型，分析在不同的锚杆长度、锚索个数、预紧力、锚杆排距和锚杆间距等参数条件下巷道顶底板和两帮围岩应力、巷道变形破坏程度，选择最优的支护参数。
方案一：原有支护参数不变，顶板锚索按照“6-6-6”布置，锚索尺寸7.2m，帮部四根锚杆，尺寸2m，锚索、锚杆的预紧力要求150 kN和20kN，每排间距为0.8m。
方案二：顶板锚索按照“2-2-2”进行打设，锚索尺寸是6.2m，顶板锚杆按照每排6根打设，巷道帮部按照3根锚杆打设，锚杆尺寸是2m，锚索和锚杆预紧力分别为250kN和80kN，每排间距为1m；
方案三：顶板锚索按照“3-3-3”进行打设，锚索尺寸是6.2m，顶板锚杆按照6根进行打设，巷道帮部按照3根锚杆进行打设，锚杆尺寸是2.4m，锚索和锚杆预紧力分别为150kN和20kN，每排间距为1m，每排间距为0.9m；
方案四：顶板锚索按照“3-3-3”进行打设，锚索尺寸是6.2m，顶板锚杆按照7根进行打设，巷道帮部按照4根锚杆进行打设，锚杆尺寸是2.4m，锚索和锚杆预紧力分别为180kN和40kN，每排间距为1m，每排间距为01m；
方案五：无支护。
建立的不同支护参数数值模型如图4所示。
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3.3 各种支护方案的比较
根据数值模拟结果，在不同方案下巷道顶底板、两帮移进量见表1。
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无论是从巷道顶底板及两帮变形程度大小还是从S1205回风巷道塑性变形情况来看，都能得到方案二是最佳选择。
4 掘进期间现场实测
S1205回风巷中的综合监测测站观测到的巷道表面位移如图5所示。巷道左帮最大变形量为11mm，巷道顶板的最大下沉量为23mm，右帮最大移近量为13mm，巷道整体的变形量较小。现场来看巷道顶板完整，两帮整齐，说明巷道掘进期间围岩变形得到有效的控制。
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6 结论
（1）在煤柱尺寸20m条件下，通过建立五个不同支护方案模型，进行数值模拟对比，得出方案二最为合理，为S1205回风巷的支护设计确定了具体的围岩控制方案及相关参数。
（2）在S1205回风巷道建立综合监测站，通过实际现场观测情况显示，采用支护方案二之后，巷道顶底板及两帮变形程度较小，位移变形量在可控范围内，巷道围岩稳定性保持较好，安全生产得到了有效保证。
参考文献
[1]魏峰远，陈俊杰，邹友峰.影响保护煤柱尺寸留设的因素及其变化规律[J].煤炭科学技术，2006，34（10）：85-87.
[2]奚家米，毛久海，杨更社，等.回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用[J].采矿与安全工程学报，2008，4（25）：400-403．
[3]胡光伟. 沿空掘巷小煤柱合理留设研究[J].煤矿开采，2016，21（4）：78-80．