野川煤業回風大巷圍巖穩定性埋深效應研究

趙 雷

(山西煤炭運銷集團 野川煤業有限公司，山西 高平 048400)

在我國，巷道支護技術經過多年的發展已經變得相對成熟，根據不同的地質條件，相關學者提出了巷道支護懸吊理論、組合梁理論、擠壓加固拱理論、松動圈支護理論等，在這些理論的指導下，涌現出來諸多支護形式，對礦井巷道圍巖穩定性控制起到了一定的作用[1-3]。但是，隨著煤層開采逐漸向深部轉移，個別礦井開采煤層埋深已經超過了千米，在實際生產過程中圍巖支護遇到諸多困難，且眾多理論并沒有考慮煤層埋深的影響因素。本文以山西煤炭運銷集團野川煤業有限公司3號煤層回風大巷為背景，通過運用巷道圍巖穩定性分類、數值模擬確定了科學的支護形式，并分析了埋深效應對巷道圍巖穩定性的影響。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團野川煤業有限公司位于山西省高平市，礦井主采3號煤層，煤層埋深150～300 m，煤層厚度2.72～6.30 m，平均厚度5.0 m，含0～1層夾矸，結構簡單。煤層直接頂為砂質泥巖，平均厚度3.78 m，抗壓強度27.17 MPa，基本頂為細粒砂巖，平均厚度11.56 m，抗壓強度53.33 MPa；直接底為泥巖，平均厚度1.2 m，抗壓強度21.15 MPa。3號煤層回風大巷為矩形斷面，尺寸為寬×高=4.3 m×4.0 m。

2 巷道支護方案的確定

根據我國采準巷道圍巖穩定性分類方法[4-5]，3號煤層回風大巷為Ⅳ類不穩定巷道，因此支護的基本形式采用 “錨桿+錨索+金屬網+噴漿”。由于3號煤層沒有偽頂，頂板支護主要起懸吊作用，因此頂板錨桿采用直徑為20 mm、長度為2 400 mm的錨桿，排距2 000 mm，間距975 mm，邊錨桿距巷幫200 mm，向巷幫側傾斜20°；錨索采用直徑為17.8 mm、長度6 200 mm的鋼絞線，間距1 950 mm，排距2 000 mm。幫錨桿采用直徑為20 mm、長度2 400 mm的錨桿，排距2 000 mm，間距900 mm，上部錨桿距頂板200 mm，并向上傾斜20°。巷道頂板及兩幫鋪設網孔為40 mm×40 mm的菱形金屬網，巷道表面噴漿厚度120 mm。3號煤層回風大巷支護設計如圖1所示。

圖1 3號煤層回風大巷支護設計(mm)

3 數值模擬

3.1 數值模型的建立

根據野川煤業3號煤層回風大巷地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件建立模型，回風大巷沿3號煤層頂板掘進，寬4.3 m，左右兩側各留設30 m煤柱，模擬工作面寬度30 m，推進長度為100 m，3號煤厚5.0 m，頂板53.8 m，底板12.2 m，則模型高度為71 m。建立的模型尺寸為164.3 m×30 m×71 m，如圖2所示。模型網格劃分為0.5 m×0.5 m，四周分別施加固定約束、位移邊界，模型上部加載均布載荷。模擬分析埋深在150 m、200 m、250 m和300 m四種情況下的巷道圍巖穩定性。

圖2 數值模型簡圖

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 巷道圍巖破壞的埋深效應

圖3為不同埋深條件下回風大巷圍巖屈服破壞特征。從圖3可以看出，埋深150 m時，頂板兩頂角處破壞深度為1 m，其余部分破壞深度為0.5 m，兩幫靠近兩角位置破壞深度為1 m，其余部分破壞深度為0.5 m，底板破壞深度為1.5 m，錨索最大軸力200 kN，破壞呈對稱分布；埋深200 m時，頂板破壞深度為1 m，兩幫靠近兩角位置破壞深度1 m，中部破壞深度0.5 m，底板中部破壞深度為2 m，其余部分破壞深度為1.5 m，錨索最大軸力為263.1 kN；埋深250 m時，頂板中部破壞深度為2 m，其余部分破壞深度為1.5 m，兩幫兩頂角破壞深度1.5 m，其余部分破壞深度為1 m，底板破壞深度為2 m，錨索最大軸力358.9 kN；埋深300 m時，頂板中部破壞深度為2 m，其余部分破壞深度為1.5 m，兩幫兩頂角破壞深度1.5 m，其余部分破壞深度為1 m，底板破壞深度為2 m，錨索最大軸力357.1 kN，破壞呈對稱分布。由此得出，屈服破壞范圍、錨索的最大軸力隨埋深的增加而增加。因此在支護設計中，針對不同埋深對錨桿長度、直徑應適當增加，以控制巷道變形破壞。

圖3 不同埋深條件下3號煤層回風大巷屈服破壞

3.2.2 巷道圍巖應力的埋深效應

圖4為回風大巷在不同埋深條件下垂直應力分布曲線。從圖4可以看出，巷道兩幫垂直應力基本呈耳狀對稱分布，巷道兩幫在距離巷道中心線5 m附近的煤體內形成應力峰值，并隨距巷道中心線距離的增加而逐漸減小，最終趨于穩定。垂直應力隨埋深的增加而增加，應力峰值位置隨埋深的增加，向兩幫深部延伸。

圖4 不同埋深條件下3號煤層回風大巷垂直應力分布曲線

圖5為回風大巷在不同埋深條件下水平應力分布云圖。由圖5可知，巷道周圍應力呈蝶狀分布，其中頂底板水平應力大于兩幫應力。頂板應力核出現在兩頂角處，隨著埋深增加頂板水平應力呈拱形逐漸向上擴散；底板應力核出現在底板中部位置，隨著埋深增加，拱形向底板深處轉移；兩幫中部出現了應力集中，隨埋深的增加，應力逐漸增大。因此，在巷道支護過程中，隨著埋深的逐漸增加，要強化巷道支護錨桿強度，防止因巷道水平應力增加而造成錨桿出現損傷破壞，造成圍巖變形量增加。

圖5 不同埋深條件下3號煤層回風大巷水平應力分布云圖

3.2.3 巷道圍巖移近量的埋深效應

圖6為不同埋深條件下，巷道圍巖移近量的變化趨勢。從圖6可以看出，巷道頂底板、兩幫移近量隨埋深的增加逐漸增加，埋深150 m時頂底板移近量為24.06 mm，埋深300 m時增加到56.94 mm，增加了1.37倍；埋深150 m時兩幫移近量為38.68 mm，埋深300時增加到81.78 mm，增加了1.11倍。

圖6 不同埋深條件3號煤層回風大巷圍巖移近量變形曲線

4 結 語

1) 隨著埋深的增加，巷道圍巖屈服破壞范圍增加，錨索軸力增加。因此在巷道支護設計中要針對不同埋深適當增加錨桿長度和直徑，以控制巷道變形破壞。

2) 隨著埋深增加，巷道垂直應力向兩幫深部延伸，且應力峰值在增加。巷道水平應力隨埋深增加在頂底板深處擴散，兩幫應力值在增加。因此，在巷道支護過程中，隨著埋深的逐漸增加，要強化巷道支護錨桿強度，防止因巷道水平應力增加而造成錨桿出現損傷破壞，造成圍巖變形量增加。

3) 隨埋深增加，巷道圍巖移近量逐漸增大，在埋深300 m時巷道頂底板移近量比埋深150 m時增加了1.37倍，兩幫移近量增加了1.11倍。