深部礦井回采巷道圍巖變形破壞機理與控制技術研究

周 俊

（西山煤電集團有限公司鎮城底礦，山西 古交 030200）

隨著埋深較淺的煤炭資源的枯竭，煤炭資源的采掘不斷向深部延伸。在開采深部煤層時，由于埋深大使得巷道的圍巖變形嚴重，巷道的頂板及底鼓量均大于淺埋深巷道，導致巷道的穩定性受到危害，所以對深部巷道進行圍巖的支護十分必要。釋壓支護技術是針對深部巷道圍巖變形的一種支護手段，眾多學者對釋壓支護技術進行過研究，本文通過數值模擬軟件結合理論分析的研究手段對釋壓材料支護技術進行研究，為釋壓支護技術在深部巷道的實施提供借鑒，為礦井地質條件相類似的礦井巷道圍巖控制提供參考有借鑒[1]。

1 深部巷道釋壓支護技術研究

鎮城底礦井田位于西山煤田的西北邊緣，地處古交市西北，汾河沿井田北部穿過，距古交市11 km，太佳公路、太嵐鐵路橫貫礦區，交通便利。礦井1983年元月開工建設，1986年11月投產。礦井原年設計生產能力150萬t/a，2008年，核定生產能力為190萬t/a。礦區總面積23.8 km2，礦井開拓布置采用一對斜井單水平開拓，主運輸水平標高為+760 m，在+820 m設一個輔助運輸水平，主采2號、3號和8號煤層。

在深部巷道開采時，巷道由三向穩定原巖應力轉化為二向應力狀態，此時巷道圍巖極容易發生應力集中，所以必須及時釋壓及支護來保證巷道的穩定性，在進行支護時，僅通過增大支護體的剛度來提升支護效果的措施是不可行的，所以釋壓支護技術的優越性得到了展示，如圖1為釋壓支護模型。

圖1 釋壓支護模型示意圖

如圖1所示，釋壓支護是通過合理的支護結構圍巖-釋壓材料-剛性支架進行支護，通過釋壓材料使得圍巖的應力得到一定的釋放，使得圍巖中的應力環境得到一定的改善，從而降低圍巖的支護強度，圍巖在開挖過程中的能量通過釋壓材料的壓縮變形得到一定的縮減，但并不會使得能量得到完全的消失，所以繼而通過鋼體支架對圍巖進行支護，使得巷道的穩定性得到控制，保證礦山開采安全[2]。在選定釋壓材料是需要考慮其一定的屬性。強度特性，在圍巖的應力未達到一定的強度之前，釋壓材料必須保證其完整性，避免發生提前的破壞，且釋壓材料的強度不得過高，釋壓材料的強度較大時，巖石案發生破壞，釋壓材料并未有效卸壓，所以需要合理的匹配兩者的強度；具有連續變形能力，由于合理的釋壓過程是緩慢進行的，所以需要釋壓材料具有一定的連續變形能力，使得圍巖的變形得到逐步的釋放，起到緩沖作用；經濟效益，由于在進行現場支護時所需的材料較多，消耗量也較大，所以保證其價格的低廉可以有效的提升礦山的經濟效益。

2 釋壓支護數值模擬研究

目前的釋壓材料主要可以分為木質材料、石質材料、金屬材料及有機化工材料。木質材料具有剛度及強度且具有一定的連續變形能力，所以可以作為釋壓材料；石質材料由于天然的孔隙使其具有一定的連續變形能力；金屬材料是指泡沫類金屬，有機化工材料是一些中空塑料管材[3]。利用釋壓材料對巷道的支護效果進行分析，首先進行模型的建立，模型的長寬高分別為24 m、1 m和20 m，首先對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時盡量在合理的方式下減小網格的密度以加快計算的速度，完成網格劃分后，對模型的約束進行設置，固定左右邊界的X方向位移，固定模型下端的Z方向位移，由于巷道的埋深為570 m，所以在模型的頂部施加15 MPa的垂直應力。完成約束及應力設置后對模型的屬性進行設置，根據實際地質情況對模型進行屬性設置，并在巷道的周邊設置釋壓材料，釋壓材料選擇為置孔釋壓材料、松木釋壓材料及泡沫鋁釋壓材料。分別對三種材料下巷道的塑性區、垂直應力及位移變形進行模擬研究，三種材料塑性區云圖如2所示。

圖2 三種釋壓材料圍巖塑性分布云圖

如圖2三種釋壓材料圍巖塑性分布云圖可以看出，無論哪種釋壓材料，巷道的圍巖的變形均含有張拉破壞和剪切破壞，且在巷道的頂板位置中部存在一定的張拉破壞區域，而剪切破壞主要集中在巷道的底板及兩幫部位。觀察圖2-1泡沫鋁釋壓材料塑性云圖可以看出，此時巷道區域較大，巷道的圍巖變形嚴重，圍巖的主要破壞形式主要為剪切破壞，底板的破壞從張拉破壞逐步向著剪切破壞轉化，破壞的范圍超過了錨桿的錨固區域，巷道穩定性較差，這是由于泡沫鋁材料強度較低，雖然變形得到了一定的控制，但不能對圍巖的變形得到較好的限制，造成圍巖變形大的問題。當釋壓材料選定為松木材料時，此時的巷道圍巖塑性變性區較泡沫鋁材料時有了一定的減小，圍巖的剪切破壞及拉伸破壞都有所減小，在巷道的底板附近圍巖的變形仍較大，可以看出相比較而言支護效果較泡沫鋁材料較好，這是由于在巷道變形的初期，木質材料對圍巖進行一定支撐，但由于其釋壓空間存在一定的限制，所以在釋壓材料發生變形后，圍巖的變形仍在繼續，巷道破壞仍較大。當選用置孔釋壓材料時，圍巖的塑性變形區域較前兩種有了明顯的減小，圍巖的破壞得到了有效的控制，巷道穩定性得到較好的改善，這是由于在圍巖變形前期置孔釋壓材料起到一定的支撐作用，同時由于材料存在一定的孔，所以在壓縮破壞后仍存在釋壓空間，所以效果較好[4]。所以置孔釋壓材料可有有效地減小巷道底角及兩幫的破壞，達到維護巷道的目的。

對三種材料的圍巖應力狀態進行分析，應力云圖如3所示。

圖3 三種釋壓材料圍巖垂直應力（Pa）分布云圖

從圖3可以看出，在巷道的底板中部、巷道頂板中部及巷道兩幫位置均出現應力集中現象，應力云圖呈現對稱分布的情況，泡沫鋁釋壓材料支護下，巷道圍巖的應力集中主要在底板中部及底板兩底角區域，最大的垂直應力達到38.5 MPa，應力集中區域面積較大，巷道穩定性較差。當選定松木釋壓材料時，此時的應力集中部位與泡沫鋁釋壓材料幾乎類似，圍巖的垂直應力有了一定的降低，最大垂直應力為31.6 MPa，巷道穩定性得到一定的改善。當選用置孔釋壓材料時，巷道圍巖應力集中區域最小，底板的垂直應力最大值為21.6 MPa，較前兩種材料有了明顯的降低，所以置孔釋壓材料對圍巖應力的改善效果最佳[5]。

對三種材料的位移變形進行分析，應力變形云圖如4所示。

圖4 三種釋壓材料位移變形分布云圖

對比三種釋壓材料下巷道的圍巖變形情況可以看出，在巷道開挖時，圍巖的變形主要集中在巷道的底角及巷道的兩幫位置，同時在巷道的頂板及底板位置出現大變形，當選用泡沫鋁釋壓材料時，巷道圍巖變形量較大，巷道穩定性較差，當選用松木釋壓材料時，巷道的圍巖變形量較泡沫鋁釋壓材料有了一定的提升，支護效果最佳的釋壓材料為置孔材料，此時巷道變形量最小。

3 結論

1）通過數值模擬軟件對三種釋壓材料支護下巷道圍巖的塑性變形區進行分析，發現巷道的圍巖的塑性破壞主要由張拉破壞和剪切破壞，且在頂板位置中部為張拉破壞區域，而剪切破壞主要集中在巷道的底板及兩幫部位。

2）通過數值模擬軟件對三種釋壓材料支護下巷道圍巖的垂直應力進行分析發現，在巷道的底板中部、頂板中部及兩幫位置均出現應力集中現象。

3）通過對不同釋壓材料支護效果進行分析發現，置孔釋壓材料對巷道圍巖的塑性變形及位移均有較好的支護效果，且支護后垂直應力最低。