官地礦厚煤層圍巖巷道支護(hù)研究

盧晉波

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦，山西 太原030022）

在煤礦生產(chǎn)中，因?yàn)橄锏酪话愣疾贾糜诘貙樱芰l件復(fù)雜，隨著機(jī)械化水平的提高以及開采深度的推進(jìn)，巷道的變形量也更加嚴(yán)重，因此，及時(shí)有效的巷道支護(hù)成為控制巷道變形的重要手段。周剛、于巖斌、文金浩針對(duì)淄博礦業(yè)集團(tuán)唐口煤礦巷道變形過大導(dǎo)致大量煤柱被壓的現(xiàn)象進(jìn)行分析，通過建立幾何數(shù)值模型，在流固耦合方程以及多孔介質(zhì)理論的基礎(chǔ)上，利用煤層注水工藝達(dá)到了卸壓的目的，在工程中取得了良好的效果[1]，張滿華、張正新在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，對(duì)煤礦深部巷道的失穩(wěn)問題進(jìn)行了研究，對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行了改進(jìn)措施，并運(yùn)用于實(shí)際。結(jié)果表明，巷道的兩幫移動(dòng)量和頂板的移近量都得到了很好地控制[2]，袁本慶、任啟寒、徐遵玉采用相似模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了近距離煤層在開采過程中超前支承壓力對(duì)于開采以及巷道維護(hù)造成的影響。研究表明，在開采過程中，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行采場(chǎng)動(dòng)力的預(yù)防措施，有效地降低超前支承壓力保證開采的順利進(jìn)行[3]，石必明、俞啟香通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，利用非接觸式數(shù)字近景攝影技術(shù)對(duì)開采中巖層的微變形進(jìn)行了研究，理論和實(shí)踐得到了相同的結(jié)論[4]。

本文結(jié)合在理論知識(shí)以及現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)已有的方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。改進(jìn)后的方案有效地控制了巷道兩幫以及頂板的移動(dòng)量，有效地提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性，為實(shí)際工程提供了指導(dǎo)。

1 研究背景

官地礦中四采區(qū)因9號(hào)煤頂板特別薄，部分地段無頂板，與上層8號(hào)煤直接相接，所以中四區(qū)回采時(shí)采用采9號(hào)放8號(hào)的放頂煤開采方式進(jìn)行開采，在掘送過程中8號(hào)、9號(hào)煤疊加厚度達(dá)到6～8 m，所以對(duì)厚煤層掘進(jìn)過程中的支護(hù)研究顯得尤為必要。

2 圍巖與錨桿錨索相互作用理論的研究

對(duì)于煤層的分類，把煤層厚度小于1.3 m的煤層為薄煤層，煤層厚度位于1.3～3.5 m的煤層為中厚煤層，厚度大于3.5 m的煤層稱為厚煤層，習(xí)慣上把厚度大于8 m的煤層稱為特厚煤層。我國(guó)厚煤層埋藏豐富且相對(duì)集中。目前厚煤層的開采方法主要有一次采全高采煤法，次方法適用于厚度較小的煤層，對(duì)于特厚煤層，煤礦多數(shù)采用“分層同采”與“分層分采”的開采方法，不論哪種開采方法，因?yàn)殚_采深度的增加以及厚煤層放頂?shù)仍?，?duì)巷道支護(hù)的要求也越來越高，因此，研究圍巖與錨桿錨索相互作用理論是必不可少的。

對(duì)于巷道支護(hù)，目前基本采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方法，錨索支護(hù)雖然能很好地起到穩(wěn)定破碎煤層，增強(qiáng)煤層的承載能力作用，但是因?yàn)槠渥饔梅秶?，不能?duì)大面積的煤層起到加強(qiáng)強(qiáng)度的要求，所以單獨(dú)使用效果并不佳。錨桿的支護(hù)強(qiáng)度以及范圍相比錨索更小，單獨(dú)使用效果會(huì)更差。因此，錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)是較好的支護(hù)方式。巷道掘進(jìn)開挖時(shí)期，在應(yīng)力作用下，煤層容易垮落甚至破碎，錨干的作用就是將破碎的煤層通過錨索的膨脹性將其固定于上覆穩(wěn)定的巖層中。在束縛力的作用下，破碎的煤層具有一定的承載能力，隨著巷道掘進(jìn)的推進(jìn)。在錨索的懸吊作用下，從而使支護(hù)達(dá)到一定的強(qiáng)度，在錨桿錨索的共同支護(hù)作用下，巷道達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

巷道的支護(hù)不僅僅需要考慮錨桿錨索作用，圍巖是重要的因素之一。在巷道穩(wěn)定的過程中，也是圍巖與錨桿錨索相互作用的過程，如圖1所示。

圖1 圍巖—錨桿錨索相互作用原理圖

從圖1中曲線1可以看出，巷道的變形與支護(hù)載荷呈反比的趨勢(shì)，即巷道的變形量越大，支護(hù)的載荷就越小，巷道的變形量越小，所需的支護(hù)載荷就越大，這與實(shí)際工程相符；而曲線2、3、4為錨桿錨索支護(hù)后的特性曲線，可以看出，錨桿錨索支護(hù)后的巷道變形量和所需的支護(hù)載荷都有了明顯的降低。除此之外，還發(fā)現(xiàn)，在巷道的掘進(jìn)初期，只要是錨桿發(fā)揮作用，錨桿固定軟弱煤層增強(qiáng)其殘余強(qiáng)度，隨著掘進(jìn)的推進(jìn)以及巖層的重力作用，巷道會(huì)發(fā)生較大的變形，這時(shí)錨索發(fā)揮主要的作用，錨索的懸吊作用使得錨桿更好地發(fā)揮作用。在兩者的相互作用下，巷道變形量得到很好地控制。通過曲線對(duì)比可以看出，支護(hù)后的圍巖變形量在圍巖表明位移為Uo后迅速降低，降低直至零。而未進(jìn)行支護(hù)措施的巷道在一定的圍巖變形后出現(xiàn)突增現(xiàn)象，這是因?yàn)椴蓜?dòng)厚煤層放頂煤工藝以及頂板垮落造成的沖擊地壓使得巷道受力突增，固巷道變形量也增大。由此可知，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的方式不僅可以達(dá)到圍巖穩(wěn)定的目的，還可以有效地減輕沖擊地壓對(duì)巷道變形帶來的危害。

3 支護(hù)方案的數(shù)值模擬的研究

以上從理論的角度分析了巷道在人工的支護(hù)方案下，圍巖會(huì)更加穩(wěn)定，而目前傳統(tǒng)的支護(hù)方案雖然能起到控制巷道變形、減少工作面來壓等現(xiàn)象，但是對(duì)于厚煤層的開采，因?yàn)槊簩雍穸鹊脑龃?，在放頂煤工藝進(jìn)行時(shí)，巷道會(huì)承受重大的壓力，當(dāng)頂板垮落后，工作面液壓支架的阻力會(huì)非常大，外加上覆巖層的重力作用，巷道的變形量會(huì)急劇增加，因此，合理的改善支護(hù)方案是維護(hù)巷道穩(wěn)定性的必要措施。本節(jié)利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)錨桿錨索支護(hù)方案以及錨桿+鋼帶+錨索支護(hù)方案進(jìn)行了對(duì)比，具體模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2可以看到，錨桿錨索支護(hù)方案下，錨固力最高達(dá)到23 MPa，在錨桿+鋼帶+錨索支護(hù)方案下，錨固力達(dá)到了接近30 MPa?？梢钥闯觯纳坪蟮姆桨钢ёo(hù)下的巖體整體承受載荷的能力上升。從圖3中也可以看出，錨桿錨索支護(hù)下巷道兩幫以及頂?shù)装宓氖芰Χ家笥阱^桿+鋼帶+錨索支護(hù)下巷道所受的應(yīng)力。分析其原因，傳統(tǒng)的支護(hù)方案下，錨桿錨索前后期作用的相互配合下，巷道的變形量雖然會(huì)得到控制，但是因?yàn)椴蓜?dòng)的影響以及應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間作用下，錨桿錨索強(qiáng)度也會(huì)有所下降；在錨桿+鋼帶+錨索支護(hù)方案下，因?yàn)殇搸П旧淼膹?qiáng)度很大，隨著時(shí)間的推移，對(duì)于煤層的加固作用并不會(huì)有所下降；此外，它還加強(qiáng)了錨桿錨索之間的相互作用力，所以在整個(gè)支護(hù)過程中，圍巖的錨固力會(huì)增強(qiáng)，巷道的穩(wěn)定性因此得到保證，對(duì)工作面的推進(jìn)以及設(shè)別的運(yùn)行都提供了便利的條件。由此可知，改進(jìn)后的支護(hù)方案在支護(hù)效果上更佳，可以在實(shí)際工程中進(jìn)行推廣運(yùn)用。

圖2 錨桿錨索支護(hù)方案下的巷道應(yīng)力分布圖

圖3 錨桿+鋼帶+錨索支護(hù)方案下的巷道應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

在厚煤層開采的背景下，通過分析圍巖與錨桿錨索相互作用的機(jī)理，成功地解釋了錨桿錨索支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

1）厚煤層開采中，因?yàn)榉彭斆汗に嚨膶?shí)施以及巷道頂板垮落等原因，巷道必須進(jìn)行支護(hù)措施保證掘進(jìn)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2）巷道圍巖以錨桿錨索相互作用理論表明，錨桿錨索在巷道掘進(jìn)的前后期的相互作用有效地降低了的變形量，對(duì)于生產(chǎn)提供了便利。

3）利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)錨桿錨索支護(hù)方案以及改進(jìn)后的錨桿+鋼帶+錨索支護(hù)方案進(jìn)行了數(shù)值分析對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，錨桿+鋼帶+錨索支護(hù)方案可以有效地提高圍巖的錨固力，從而使巷道更加趨于穩(wěn)定。