鎮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生活。據統計，我國現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，煤炭資源仍是我國能源開采的重要目標。據預測，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轉移，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難題[1-2]。為保證礦井的生產安全，許多學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，提升了礦山經濟效益。

1 巷道支護分析

鎮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，鎮城底礦年設計生產能力為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，巷道不穩定等各種問題逐步凸顯。根據實際地質情況，對巷道底鼓情況進行分析，給出相應的治理控制技術[5]。

本文利用數值模擬軟件，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化措施[6-7]。選用FLAC3D數值模擬軟件進行研究，首先建立模型，根據實際地質條件建立矩形斷面，斷面的尺寸設定為寬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，根據覆巖的容重，計算施加模型上表面應力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力分布情況，如圖2所示。

圖2 巷道垂直應力分布對比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力最大值為30 MPa，垂直應力主要集中于距離巷道幫腳約2～4 m的位置，巷道圍巖的整體應力分布較大，頂底板的垂直應力隨距離巷道的增加出現先增大后減小的趨勢，在距離7 m的范圍內，垂直應力小于原巖應力16.25 MPa，此時巷道頂板的力通過巷道兩幫轉移至巷道底板位置，造成底板破壞，底板出現隆起的底鼓，可以看出巷道的底鼓量與巷道兩幫的垂直應力有關。在目前的支護下，巷道圍巖的垂直應力最大值降低至26 MPa，此時的巷道圍巖應力集中區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，頂底板垂直應力隨距離巷道的增加呈現先增大后減小的趨勢，底板整體應力變化不大，原支護有效的增加了巷道頂板及兩幫位置的承載力，在巷道的兩幫出現應力集中，此時巷道兩幫的垂直應力一部分轉移至肩處，另一部分向巷道底板兩側進行轉移，造成巷道幫腳出現破壞。可以看出，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支護的重要環節[9]。

2 支護優化設計

針對運輸巷道底鼓嚴重的問題，在原有支護條件的基礎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，利用錨網索噴進行巷道的控制。根據實際情況提出如圖3的支護方案。

圖3 優化支護方案對比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，錨網索支護和錨網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力進行分析發現，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支護的重要環節。

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 論

（1）通過數值模擬發現，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出先增大后減小的趨勢。

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