煤礦回風順槽支護技術仿真分析與應用研究

鄭 偉

（晉能控股煤業(yè)集團四臺礦，山西 大同 037003）

1 傾斜工作面概況

煤礦傾斜工作面的長度200 m，40°是其平均傾角，1 450 m 是走向長度，煤層平均厚度達到4 m，底板巖層為粉砂巖，頂板巖層為砂質(zhì)泥巖；井下巷道斷面總體接近于矩形，具體的尺寸規(guī)格是凈寬與凈高分別為6 000 mm 和4 800 mm，巷道頂?shù)装鍘r層評定為軟弱狀態(tài)，所以對圍巖變形量的要求很高，必須進行特別的分析和設計來對圍巖進行控制。

2 圍巖變形破壞形式及機理

2.1 圍巖變形破壞形式

1）兩幫變形破壞形式。采掘工作進行時，煤礦井下巷道圍巖由于周邊受力物的變化會產(chǎn)生應力場整體改變，覆巖的自重產(chǎn)生的重力會施加于兩幫位置，若兩幫圍巖不能夠有效承擔其力量，彈塑性變形極易發(fā)生，內(nèi)部彈性和塑性區(qū)域的形成也將是必然，甚至是發(fā)生拉裂破壞等情況，不斷增加頂?shù)装宓淖冃瘟?，具體變形破壞如圖1-1、圖1-2。由于巷道頂?shù)装鍘r層變現(xiàn)為松軟狀態(tài)，給頂?shù)装鍘砗艽蟛环€(wěn)定性；另外巷道兩幫圍巖大概率會發(fā)生剪切破壞活動，圍巖發(fā)生塑性剪切破壞，導致兩幫圍巖發(fā)生移動變形[1-3]。

2）頂板變形破壞形式。在回采巷道開始工作后，水平方向的力協(xié)同覆巖載荷施加在頂板巖層，逐步導致拉應力產(chǎn)生，若達到巖層承受最大值，則將會有拉裂破壞在頂板發(fā)生，由于兩幫圍巖的極大不穩(wěn)定性，拉伸變形、冒落會逐漸發(fā)生[4-6]，如圖1-3、圖1-4。

圖1 兩幫及頂板破壞示意圖

2.2 圍巖變形破壞機理

通過具體的井下地質(zhì)情況，得到巷道巖層軟弱的特征，在施工階段應力發(fā)生變化，前期弱結構的變形隨著力的不斷變化逐漸引發(fā)變形破壞的發(fā)生，其中，弱結構體具體指應力、幾何和巖性弱結構三部分。目前主要分析其中的巖性弱結構部分，具體受力力學模型如圖2 所示[7]，可計算推導出各巖層彎矩、巷道上下邊緣應力等參數(shù)。分析可知，頂板巖層的主要受力來源分兩部分，分別是圍巖壓力以及水平地應力，所以，結合具體工程實踐，巷道失穩(wěn)破壞的產(chǎn)生認定為圍巖壓力和水平地應力共同作用結果，這個分析結果對于下一步設計支護方案很大意義。

圖2 頂板弱結構受力力學模型圖

3 圍巖控制方案及效果

3.1 圍巖控制方案

通過結合井下具體地質(zhì)條件以及分析結論，現(xiàn)對回風順槽的錨網(wǎng)索支護方案參數(shù)確定如下。

1）兩幫支護：設計選定玻璃鋼錨桿作為回采幫，具體規(guī)格直徑22 mm、長度1 500 mm，間隔規(guī)格1 000 mm、900 mm,端頭錨固作為錨固方式，采用150 N·m的預緊力矩；對于煤柱幫錨桿選擇，采用規(guī)格為直徑16 mm、長度1 500 mm 的圓鋼錨桿，間隔規(guī)格1 000 mm、900 mm，同樣端頭錨固作為錨固方式，采用150 N·m 的預緊扭矩。

2）頂板支護：設計中選定為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，具體規(guī)格為直徑22 mm、長度2 100 mm，間隔規(guī)格1 000 mm、900 mm，設計中具體的錨固工作采用的是樹脂加長錨固的方式完成的，采用250 N·m 的預緊扭矩；錨索使用上采用的是高強低松弛特征的1×7 股鋼絞線，具體的規(guī)格數(shù)據(jù)為直徑17.8 mm、長度6 500 mm，間隔排布的具體數(shù)據(jù)是2 500 mm、1 800 mm，2排錨桿的中間布置錨索，錨固工作具體采用150 kN預緊力[8-9]。

具體井下回風順槽的支護參數(shù)見圖3。

圖3 支護斷面圖（單位：mm）

為對該支護方案進行前期驗證，研究中與巷道具體地質(zhì)情況相結合，通過FLAC3D 軟件進行具體的數(shù)值分析工作，在完成具體數(shù)值模型的建立工作后，對模型進行設定和邊界限制，例如具體應力情況等，模型相關工作結束后，進入下階段具體場景模擬運算和分析[10]。

通過軟件分析最終結果，會反映出新提出支護方案下，井下回風順槽的應力分布等數(shù)據(jù)如圖4 所示。

分析圖4 得到，采用設計的支護方案后，兩幫移近量最大值約23 mm，底板及頂板的變化量最大值分別約為11 mm 以及17.5 mm，結果表明，兩幫以及頂?shù)装遄冃瘟棵黠@降低，說明頂?shù)装寮皟蓭妥兓谠摲N支護方案作用中控制效果顯著；并且從圖4 中還得到，巷道頂?shù)装搴蛢蓭退苄詤^(qū)沒有擴大發(fā)展，錨桿（索）主動支護生效；綜上，研究的支護方案對于圍巖的控制的可行性很高，圍巖的穩(wěn)定性得到有效的保證[11]。

圖4 巷道圍巖位移及塑性區(qū)分布圖（單位：mm）

3.2 效果分析

為了對研究的支護方案進行實踐驗證，結合軟件最后分析結果，巷道在掘進過程的圍巖發(fā)生小變形量；為深入驗證，特別在回采期間檢測巷道圍巖變化狀態(tài)，在工作面前100 m 分別設定兩個測站，得到的圍巖變形-距回采工作面距離曲線如圖5 所示[12-13]。

圖5 巷道圍巖變形-距回采工作面距離曲線圖

通過圖5 得到，在采掘工作中，兩幫和頂?shù)装遄冃瘟颗c工作面的距離呈現(xiàn)正相關，當兩者之間的距離超過65 m 后，圍巖變形量受到影響變小，導致變形量的變小；在65 m 以內(nèi)，兩幫和頂?shù)装遄冃嗡俾适遣粩嘣黾拥模辉?0 m 位置，超前支承壓力達到峰值，兩幫和頂板變化量達到最大的182 mm 和140 mm，該變形量完全能夠達到具體使用要求指標。

4 結論

針對回風順槽圍巖的不穩(wěn)定性問題，通過理論和模擬實驗兩種分析渠道進行支護方案的設計，并對其有效性和可行性進行驗證，最終得出：

1）得出巷道圍巖壓力和水平地應力共同作用導致巷道失穩(wěn)破壞。所以兩幫和頂板巖層的具體形態(tài)會對巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2）通過模擬分析結果和實際巷道環(huán)境狀態(tài)結合，設計的支護方案的可行性很高。從實際檢測數(shù)據(jù)得到，兩幫和頂?shù)装遄冃瘟侩S著工作面的距離變大而增大，當兩者之間的距離超過65 m，圍巖變形量受到影響變小導致變形量變小；在65 m 以內(nèi)，兩幫和頂?shù)装遄冃嗡俾适遣粩嘣黾拥模辉?0 m 位置，超前支承壓力達到峰值，處于安全要求內(nèi)。證明了該支護方案下巷道圍巖發(fā)生的變形完全能夠達到具體使用要求指標，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到有效保障。