郭海明

（晉能控股煤業(yè)集團四明山煤礦，山西 晉城 048400）

回采巷支護措施不當，后期變形嚴重甚至垮塌，導(dǎo)致通風不暢、運輸受阻，會嚴重影響礦井安全生產(chǎn)及生產(chǎn)效率。影響回采巷支護的主要因素為地質(zhì)原因，當巷道掘進通過斷層、褶皺等構(gòu)造時，圍巖破碎嚴重，如果不進行支護措施優(yōu)化，極易導(dǎo)致巷道局部變形嚴重。四明山煤礦9111 工作面運輸巷掘進過程中遇到F2 斷層，圍巖破碎嚴重，采用原設(shè)計支護施工過程中，出現(xiàn)錨桿底部著力點失穩(wěn)、圍巖變形嚴重、底鼓嚴重的現(xiàn)象。為解決以上問題，采用COMSOL 軟件對區(qū)域圍巖進行模擬[1-8]，制定巷道支護優(yōu)化措施，進行后期效果考察研究。

1 概況

山西晉煤集團四明山煤礦為低瓦斯礦井，核定產(chǎn)能為120 萬t/a，礦井采用斜井開拓，采用綜合機械化開采。礦井主采煤層為9#煤層，平均厚度1.45 m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.25 m；底板為泥巖，平均厚度1.12 m。煤層傾角2°～6°。備采面9111 工作面走向長度1227 m，切眼長度200 m。9111 運輸順槽設(shè)計斷面為矩形斷面，斷面尺寸：凈寬×凈高=4500 mm×2500 mm（毛寬×毛高=4700 mm×2600 mm），S凈=11.25 m2（S掘=12.22 m2），采用錨桿支護方式。支護設(shè)計圖如圖1。支護完成后安裝LBY-3T 型頂板離層儀觀測頂板。

圖1 9111 運輸巷支護措施

2 圍巖數(shù)值模擬研究

9111 運輸順槽通過F2 斷層位置，頂板破碎嚴重，對該區(qū)域頂板、底板、兩幫進行巖心取樣，進行圍巖基本參數(shù)測定及破壞性試驗研究。對圍巖加載100 MPa 的載荷，持續(xù)加載5 h，得到圍巖變化效果圖如圖2，測得圍巖基本參數(shù)見表1。

圖2 破壞性試驗研究效果圖

根據(jù)豎向加載荷試驗結(jié)果顯示，當圍巖承受100 MPa 的應(yīng)力時，圍巖產(chǎn)生的裂紋主要為豎向裂紋，豎向裂紋延伸至整個斷面。

根據(jù)9111 運輸巷斷面設(shè)計和支護措施進行數(shù)值模擬研究，采用軟件COMSOL 進行模擬運算，模擬參數(shù)如表1 所示。

表1 模擬參數(shù)表

根據(jù)測試，9111 運輸巷頂板承受的應(yīng)力為100 MPa，模擬過程為瞬態(tài)過程，模擬時間長度為15 d，步長為1 d。模擬得出9111 運輸順槽斷面應(yīng)力3 d、15 d 時圍巖應(yīng)力分布云圖如圖3。

由圖3 可知，9111 運輸順槽在第3 天時頂板應(yīng)力主要分布在終端，應(yīng)變范圍為頂板上方1.5 m，承受最大應(yīng)力為9×107Pa；第15 天時，頂板應(yīng)力豎向范圍增大到3.5 m，頂板承受的最大應(yīng)力為1×108Pa。目前支護措施承受的極限載荷為0.35 MPa，頂板在第15 天左右將出現(xiàn)大面積垮落。

圖3 9111 運輸順槽圍巖應(yīng)力分布演化圖

綜合分析試驗研究和模擬研究成果可知，導(dǎo)致巷道圍巖垮落的主要因素為豎向應(yīng)力，豎向應(yīng)力對圍巖所產(chǎn)生的剪切力會產(chǎn)生蠕變裂紋，隨著應(yīng)力載荷持續(xù)增加，蠕變裂紋形成裂隙，最終分層垮落。

3 支護措施優(yōu)化

根據(jù)數(shù)值模擬研究成果可知，目前支護措施無法滿足巷道支護要求，需制定加固措施。9111 運輸順槽支護措施主要支撐豎向應(yīng)力，因此需要增加豎向錨桿、進行錨網(wǎng)支護、頂板進行工字鋼加固。錨桿采用Φ20 mm×2400 mm 的鋼制錨桿，錨網(wǎng)采用20 mm×20 mm 的鋼制錨網(wǎng)，噴漿所使用的漿液為水泥漿，水灰比為1:1.6，加速凝劑。頂板錨桿增加了2 根，工字鋼選用20a 型號工字鋼進行支護，工字鋼支護排間距為1 m。優(yōu)化后的支護措施如圖4。

圖4 優(yōu)化后的支護措施

優(yōu)化后的支護措施增加了豎向支撐力，同時提高了巷道斷面支護措施的整體性。根據(jù)等比例試驗結(jié)果顯示，該支護措施能夠承受2×108Pa 的豎向應(yīng)力載荷，可以滿足該區(qū)域支護要求。

4 效果考察

優(yōu)化后的支護措施施工完成后，隨即進行后期效果考察?？疾觳捎肔BY-3T 型頂板離層儀進行觀測，觀測周期為1 d。通過觀測優(yōu)化后支護區(qū)域的頂板位移量，對觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖5。

圖5 優(yōu)化措施頂板位移量

根據(jù)圖5 可知，優(yōu)化支護措施后，15 d 時頂板深部位移量達到最大值，最大值為74 mm，淺部在第15 天時位移量達到最大值，最大值為30 mm。位移量整體變形較小，現(xiàn)場觀測未出現(xiàn)頂板垮落、變形嚴重現(xiàn)象。

5 結(jié)語

采用COSOL 軟件對9111 運輸順槽斷面圍巖進行數(shù)值模擬研究，分析了斷面應(yīng)力演化規(guī)律，制定了支護措施，進行了效果考察，得到以下結(jié)論：

（1） 矩形支護措施頂板15 d 承受最大應(yīng)力為1×108Pa，位移變形豎向區(qū)域為3.5 m。

（2） 優(yōu)化支護措施主要為增加豎向錨桿數(shù)量，進行工字鋼加固。

（3） 優(yōu)化支護措施后，頂板深部最大位移量為74 mm，淺部最大位移量為30 mm。

研究結(jié)果顯示，優(yōu)化后的支護措施完全可以滿足該區(qū)域支護要求。