回采巷道垂直擠壓型底鼓控制技術研究

馬文樂

山西焦煤西山煤電屯蘭礦 山西 太原 030200

1 前言

煤炭資源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。隨著我國綠色能源的不斷發展，風能、水能、太陽能等清潔能源逐步成為我國能源消耗的目標，但考慮到我國現有的國情及能源消耗量，清潔能源的能量遠遠不夠我國能源的消耗，所在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，我國開采深度以每年8-12m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了亟待解決的技術難題[1-2]。為了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，從而給出巷道的支護方案。有效的降低了巷道維修費用，提升了礦山經濟。

2 巷道支護分析

屯蘭礦位于山西古交西部，井田面積64.49km2，礦井設計生產能力400萬噸/年，目前主采2#、8#煤層，8#煤層厚度為3.48m～6.76m，煤層厚度為5.29m，屬于厚煤層，礦井可采面積約為12.26km2，煤層的抗壓強度約為24.97MPa，8#煤層的容重為1.38t/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。巷道的變形隨著不同地質條件而改變，所以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。

煤層的偽頂厚度約為0.6m，覆巖的巖性為炭質泥巖、鋁質泥巖、砂質泥巖和泥巖。巷道直接頂為砂質泥巖，由于砂質泥巖強度較差，極易出現不穩定現象，老頂巖性屬于較為穩定的巖體。煤層偽底為砂質泥巖、根土泥巖和炭質泥巖，直接底為砂質泥巖厚度約為3m，老底巖性為砂巖，巖石厚度約為5～10m，底板整體穩定性較差，易出現底鼓現象。由于頂板及兩幫位置的支護強度較差，使得垂直應力轉移至巷道的底板，造成巷道的底板的底鼓。

為了解決原有支護方式下巷道變形嚴重的問題，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。本文的數值模擬選用FLAC-3D數值模擬軟件進行研究，首先進行模型的建立，根據實際地質條件建立矩形斷面，斷面的尺寸設定為寬5m、高3.1m，模型的尺寸長寬高分別為25m、25m、22.7m，完成模型長寬高設定后對模型進行網格劃分，網格劃分時需要考慮模擬計算的精度及模擬計算的時間，適當的選定網格劃分方式可以提升模擬的效率，網格劃分共有112500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16.25MPa，完成模型的建立，完成模型建立后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

如圖1所示可以看出，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，在距離巷道中心線0～1m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320mm，當距離中心線的距離增大至1m時，此時原有支護條件下垂直位移達到最大值650mm，當距離中心線距離增大至10m時，此時巷道左邊垂直位移量量減小至0mm。在巷道右邊距離中心線10m位置時垂直位移量為400mm。同時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。

無支護下巷道圍巖的垂直應力最大值為30MPa，垂直應力主要集中于距離巷道幫腳約2-4m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著距離巷道距離的增大出現先增大后減小的趨勢，在距離7m的范圍內垂直應力小于原巖應力16.25MPa，此時巷道頂板的力通過巷道兩幫轉移至巷道底板位置，造成底板的破壞，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26MPa，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1.5～2m的位置，頂底板垂直應力隨著距離巷道距離的增大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 巷道底板的兩側進行轉移，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。

3 支護優化設計

針對運輸巷道底鼓情況嚴重的問題，在原有支護條件的基礎上將錨桿的間距縮小800mm，錨索的間距縮小至1600mm，錨桿的長度縮小至2000mm，錨索的選用長度縮小至6000mm，利用錨網索噴進行巷道的控制。根據實際情況提出如圖2的支護方案。

圖2 優化支護方案對比圖

對不同支護方案下的底板垂直方向變形進行對比分析，對比圖如3所示。

從圖3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大而逐步增大，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了200mm以下，當采用錨索網支護后，底鼓變形量的最大值為232mm，相較于原有支護下巷道底鼓變形量的最大值降低了252mm，而錨網索配合底錨支護巷道底鼓變形量較原支護下降了160mm，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。

圖4 不同支護條件下底板垂直方向變形對比圖

4 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。

（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。

（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。