鎮(zhèn)城底礦回采巷道支護機理研究

魏海潮

（山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原030053）

0 引 言

煤炭作為我國的主要能源消耗，一直支撐著我國人民的生產(chǎn)生活。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有的煤炭總儲量約為900億t以上，是世界煤炭資源分布最豐富的國家，在今后很長一段時間內(nèi)，煤炭資源仍是我國能源開采的重要目標。據(jù)預(yù)測，直至21世紀50年代，我國對煤炭資源的需求量仍占具能源總量的70%以上。同時隨著開采年限的增加，賦存條件較為簡單的煤層已經(jīng)逐步得到一定的開采，我國對煤炭資源的開采逐步向著深部煤層繼續(xù)轉(zhuǎn)移，開采深度以每年8～12 m的速度下降。隨著開采深度的增加，回采巷道底鼓問題逐步凸顯出來，成為亟待解決的技術(shù)難題[1-2]。為保證礦井的生產(chǎn)安全，許多學(xué)者對巷道底板進行支護研究，提出支護方案[3-4]。本文針對鎮(zhèn)城底礦28108工作面回采巷道底鼓的難題，對巷道底板破壞機理作出一定的研究，給出了巷道的支護方案，降低了巷道維修費用，提升了礦山經(jīng)濟效益。

1 巷道支護分析

鎮(zhèn)城底礦隸屬于焦煤集團，其位置位于山西省古交市西北處，礦井田占地面積約16.63 km2，礦井西北走向6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮(zhèn)城底礦年設(shè)計生產(chǎn)能力為190萬t。4號煤層厚度為3.48～6.76 m，煤層厚度為5.29 m，屬于厚煤層，礦井可采面積約為12.26 km2，煤層的抗壓強度約為24.97 MPa，4號煤層的容重為1.38 t/m3。礦井屬于高瓦斯礦。隨著開采深度的增加，巷道不穩(wěn)定等各種問題逐步凸顯。根據(jù)實際地質(zhì)情況，對巷道底鼓情況進行分析，給出相應(yīng)的治理控制技術(shù)[5]。

本文利用數(shù)值模擬軟件，對無支護及原有支護下的巷道變形進行研究，從而給出原有支護方案的優(yōu)化措施[6-7]。選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行研究，首先建立模型，根據(jù)實際地質(zhì)條件建立矩形斷面，斷面的尺寸設(shè)定為寬5 m、高3.1 m，模型尺寸長寬高分別為25、25、22.7 m，對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分112 500個。完成模型劃分后對模型進行邊界條件設(shè)定，固定模型下邊界，固定左右邊界的X方向位移，固定前后Y向位移，根據(jù)覆巖的容重，計算施加模型上表面應(yīng)力16.25 MPa，對模型無支護和原有支護方案下巷道圍巖的垂直位移進行研究，如圖1所示。

圖1 圍巖垂直方向位移曲線Fig.1 Displacement curve of surrounding rock in vertical direction

可以看出，隨著距離巷道中心線增加，無支護條件下的垂直位移和原有支護條件下的垂直位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在距離巷道中心線0～1 m的位置，巷道垂直位移逐步增大，在巷道中心線的位置，原有支護條件下垂直位移為320 mm，當距離中心線的距離增大至1 m時，原有支護條件下垂直位移達到最大值650 mm，當距離中心線距離增大至10 m時，巷道左邊垂直位移量減小至0。在巷道右邊距離中心線10 m位置時，垂直位移量為400 mm。對比無支護和原有支護下的巷道垂直變形量可以看出，原有支護條件可以在一定程度上減小巷道垂直方向變形[8]。

對比原有支護和無支護條件下巷道的垂直應(yīng)力分布情況，如圖2所示。

圖2 巷道垂直應(yīng)力分布對比Fig.2 Comparison of vertical stress distribution in roadway

可以看出，無支護下巷道圍巖的垂直應(yīng)力最大值為30 MPa，垂直應(yīng)力主要集中于距離巷道幫腳約2～4 m的位置，巷道圍巖的整體應(yīng)力分布較大，頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力隨距離巷道的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在距離7 m的范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力小于原巖應(yīng)力16.25 MPa，此時巷道頂板的力通過巷道兩幫轉(zhuǎn)移至巷道底板位置，造成底板破壞，底板出現(xiàn)隆起的底鼓，可以看出巷道的底鼓量與巷道兩幫的垂直應(yīng)力有關(guān)。在目前的支護下，巷道圍巖的垂直應(yīng)力最大值降低至26 MPa，此時的巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷幫兩肩，距離巷道底板幫腳1.5～2 m的位置，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力隨距離巷道的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，底板整體應(yīng)力變化不大，原支護有效的增加了巷道頂板及兩幫位置的承載力，在巷道的兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時巷道兩幫的垂直應(yīng)力一部分轉(zhuǎn)移至肩處，另一部分向巷道底板兩側(cè)進行轉(zhuǎn)移，造成巷道幫腳出現(xiàn)破壞?？梢钥闯觯兄ёo對巷道幫角的支護效果較差，巷道幫角的支護是巷道整環(huán)支護的重要環(huán)節(jié)[9]。

2 支護優(yōu)化設(shè)計

針對運輸巷道底鼓嚴重的問題，在原有支護條件的基礎(chǔ)上將錨桿的間距縮小800 mm，錨索間距縮小至1 600 mm，錨桿的長度縮小至2 000 mm，錨索的選用長度縮小至6 000 mm，利用錨網(wǎng)索噴進行巷道的控制。根據(jù)實際情況提出如圖3的支護方案。

圖3 優(yōu)化支護方案對比Fig.3 Comparison of optimized support schemes

對不同支護方案下的底板垂直方向變形進行對比分析，如圖4所示。

從圖4可以看出，錨網(wǎng)索支護和錨網(wǎng)索配合底錨支護后巷道底板垂直方向變形量明顯減小，同時隨著距離底板垂直方向距離的增加而逐步增大，當選定錨網(wǎng)索配合底錨支護后巷道底板的垂直方向變形量控制在200 mm以下，當采用錨索網(wǎng)支護后，底鼓變形量的最大值為232 mm，相較于原有支護下巷道底鼓變形量的最大值降低了252 mm，而錨網(wǎng)索配合底錨支護巷道底鼓變形量，較原支護下降了160 mm，下將幅度較錨網(wǎng)索支護有了一定的提升，所以底錨的加固對巷道底鼓的控制十分有效，錨網(wǎng)索配合底錨支護效果較為理想[10]。

（2）通過對無支護和原有支護效果下巷道圍巖垂直應(yīng)力進行分析發(fā)現(xiàn)，原有支護對巷道幫角的支護效果較差，巷道幫角的支護是巷道整環(huán)支護的重要環(huán)節(jié)。

圖4 不同支護條件下底板垂直方向變形對比Fig.4 Comparison of vertical deformation of floor under different supporting conditions

3 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著距離巷道中心線距離的增加，無支護條件下的垂直位移和原有支護條件下的垂直位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

（3）錨網(wǎng)索支護和錨網(wǎng)索配合底錨支護后，巷道底板垂直方向變形量明顯減小，錨網(wǎng)索配合底錨支護對底鼓控制十分有效。