深井高應力巷道圍巖變形及控制技術研究

魯松林

（山西鄉寧焦煤集團富康源煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

我國煤炭資源儲量豐富，但整體覆存不均，隨著我國對煤炭資源利用年限的增加，煤炭資源的儲量逐步降低，但考慮到我國煤炭儲量及我國目前發展形式，煤炭資源在未來很長一段時間仍是我國國民生產生活的主要能源，具我國煤炭行業調查表明，在2030年時，我國對煤炭資源的利用仍占所有能源形式50%以上，所以煤炭資源在我國很長一段時間會保持絕對領導地位。隨著我國開采年限的增加，覆存較為簡單，埋深較淺的煤層已經逐步開采完畢，目前我國煤礦的開采重點逐步向著深部煤層進行轉移。在深部煤層開采過程中，眾多問題制約著礦井的高效開采，由于巷道處于高應力范圍，所以使得巷道圍巖的應力環境十分惡劣，所以巷道變形問題日益嚴重，所以針對高應力巷道圍巖變形進行研究十分必要[1-2]。此前眾多學者對高應力巷道圍巖穩定性進行過一定的研究[3-4]，但由于不同巷道的埋深及應力環境大不相同，因此無法一概而論，所以本文以富康源礦10503工作面為工程背景，利用數值模擬軟件對巷道圍巖變形進行一定的研究，并給出巷道支護方案，為礦井高效開采提供一定的參考。

1 礦井概況及數值模擬研究

1.1 礦井概況

富康源礦位于位于鄉寧縣臺頭鎮神角村，井田面積為9.75 km2，設計生產能力120萬t/a，井田地質構造簡單。10503工作面現主要開采2號、3號煤層，采用的是綜采放頂煤采煤工藝。巷道底板標高為-1515~-1 590 m，工作面距離地面深度高達670~760 m。工作面目前主采3號煤層，煤層硬度小、易破碎，煤層厚度為4.32~5.44 m，煤層平均厚度為4.6 m，煤層近似水平，直接頂為砂質泥巖，砂質泥巖厚度為7.36 m；巷道老頂為中粒砂巖，局部直接底為砂質泥巖。目前10503工作面順槽采用架棚支護方案，設定棚距為700 mm±50 mm，在巷道的頂板及兩幫布設冷拔絲菱形網，目前順槽變形較為嚴重，威脅著工作面正常開采，所以需要對巷道大變形進行治理。

1.2 數值模擬研究

利用數值模擬軟件對不同支護參數下巷道圍巖變形進行分析，確定巷道的支護優化方案，首先進行模型的建立，根據礦井實際情況建立模型長×高=52 m×33 m的模型，對模型進行網格劃分，劃分完成后模型單元共有75 480個單元和85 324個節點。設置巷道的斷面形狀為半圓拱形，斷面尺寸為直墻高1.8 m，圓拱半徑為2.9 m。對模型進行邊界條件設置，在模型底面施加垂直方向固定約束，左右面施加X方向的固定約束，在模型的上表面施加覆巖的自重，施加均布荷載22 MPa，對不同支護條件下的巷道變形量進行分析，首先對不同錨桿直徑下的圍巖變形進行分析，不同直徑錨桿下圍巖變形曲線如圖1所示。

圖1 不同直徑錨桿下圍巖變形曲線

從圖1可以看出，隨著錨桿直徑的增大，此時巷道圍巖變形呈現逐步減小的趨勢，此時巷道的頂板底板變形量和兩幫移近量均有大幅度降低，但隨著錨桿直徑的持續增加，巷道變形量的下降趨勢逐步減弱，所以一味的降低錨桿直徑并無法線性降低巷道變形量。當錨桿桿體直徑由16 mm增加到22 mm時，此時的巷道兩幫、巷道頂板及底板變形量分別下降幅度為24.57%、27.10%、19.40%。當桿體直徑增加到24 mm時，此時巷道兩幫、頂底板變形量較錨桿直徑22 mm時分別減少了11.88%、14.8%、12.68%。同時隨著錨桿直徑的增大，此時錨固段和黏結剛度均呈現增大趨勢，錨桿控制巷道圍巖變形效果較好，但錨桿直徑合適即可，不能不合理加粗，避免浪費成本。

首先對不同錨桿間距下的圍巖變形進行分析，不同錨桿間距下圍巖變形曲線如圖2所示。

圖2 不同錨桿間距下圍巖變形曲線

從圖2可以看出，隨著錨桿間距的不斷增加，此時對巷道的支護效果呈現逐步減弱的趨勢。此時無論頂板、兩幫的變形量均有了較大幅度的增大，當錨桿間距為800 mm時，此時相比較間距700 mm時頂板、底鼓量及兩幫移近量分別減小到166.8、471.2、388.7，減小幅度為32.90%、8.98%和9.18%。而間距700 mm對比錨桿間距600 mm頂板、底鼓量及兩幫移近量分別減小到150.3、454.6、372.8 mm，分別減小了9.89%、3.52%、4.09%。所以當錨桿間距減小到700 mm時，繼續減小錨桿的間距就無法得到巷道圍巖變形量的穩定減小，所以最佳的錨桿間距為700 mm。

2 支護設計及工業化試驗

2.1 支護方案設計

根據模擬結果對巷道支護方案進行優化，首先在巷道的兩幫及頂板均采用尺寸為Φ22 mm×2 400 mm的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進行支護，錨桿的間排距為0.7 m×0.8 m，設定錨桿鉆孔直徑為Φ28 mm，每支錨桿采用兩卷Z2350樹脂錨固劑進行錨固，設定錨桿的預緊力為60 kN。在巷道的底板打入底角錨桿，底角錨桿與底板夾角為45°。同時采用錨索進行支護，錨索尺寸為17.8 mm×6 500 mm鋼絞線，每支錨索采用四卷Z2850樹脂錨固劑錨固，錨索預緊力設定為100 kN。

2.2 工業化試驗

對支護后的巷道進行變形監測，設定三個測站，分別對頂底板及兩幫移近量進行監測，監測曲線如圖3所示。

圖3 巷道頂底板及兩幫移近量曲線

從圖3可以看出，巷道圍巖表面頂板底板及兩幫變形量均呈現出隨時間的增加不斷增大的趨勢，觀測發現，巷道圍巖變形速率在掘巷15 d內時較大，計算巷道頂底板及兩幫移近量的變形速率可以得出，兩者變形速率分別達到2.3 mm/d，3.0 mm/d。當巷道掘巷大約35 d時，此時的巷道圍巖變形量逐步趨于平緩，在此階段內巷道圍巖變形速度不大，頂底板和兩幫變形量分別達到1.7 mm/d，2.3 mm/d。而當掘巷50 d后，此時巷道圍巖變形量幾乎不會發生較大的變形，此時巷道圍巖逐步區域穩定。整個過程巷道頂底板和兩幫移近量最大值分別為56 mm和86 mm，整體巷道變形量處于可控范圍，所以支護方案可行。

3 結論

1）利用數值模擬軟件對不同錨桿直徑下巷道圍巖變形量進行分析，發現隨著錨桿直徑的增大，此時巷道圍巖變形呈現逐步減小的趨勢，此時巷道的頂板底板變形量和兩幫移近量均有大幅度降低。

2）利用數值模擬軟件對不同錨桿間距下巷道圍巖變形量進行分析，隨著錨桿間距的不斷增加，此時對巷道的支護效果逐步減弱的趨勢，最終確定最佳錨桿間距為700 mm。

3）對設計的支護方案進行驗證，發現巷道圍巖表面頂板底板及兩幫變形量均呈現出隨時間的增加不斷增大的趨勢，整個過程巷道頂底板和兩幫移近量最大值分別為56 mm和86 mm，支護方案可行。