葉社

山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦 山西 太原 030053

1 引言

回采巷道的控制問題一直是煤礦生產(chǎn)中的重要問題，特別是在深部礦井，受高地應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力的影響，巷道圍巖控制難度增加。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)工作面回采巷道控制進(jìn)行了研究，得到了許多有益的結(jié)論。萬威[1]分析了煤礦高地應(yīng)力、軟巖復(fù)合頂板回采巷道變形特點(diǎn)，提出了全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)。張旭清[2]分析了地應(yīng)力對(duì)深部回采巷道布置方向的影響，并通過現(xiàn)場監(jiān)測，分析了巷道受地應(yīng)力影響的變形特征。上述研究對(duì)深部回采巷道的支護(hù)控制提供了重要參考，對(duì)鎮(zhèn)城底礦而言，除了受高地應(yīng)力影響外，工作面傾角超過20°屬典型的大傾角工作面，其回采巷道圍巖控制難度進(jìn)一步加大，因此，需根據(jù)工作面的采礦地質(zhì)條件，進(jìn)行工作面回采巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 巷道支護(hù)優(yōu)化計(jì)算模型

鎮(zhèn)城底礦位于山西古交西北處，井田面積16.63 km2，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力190萬t。22213位于礦井三采區(qū)西北部，主要開采3#煤層，采區(qū)煤層的開采標(biāo)高-750～-1200m。22213工作面為該采區(qū)首采工作面，工作面走向長度1435m，傾向長度198.5m；煤層平均厚度 5.20m，平均傾角 23.5°；煤層無偽頂發(fā)育，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均4.70m；老頂為中砂巖，平均 11.71m；底板以泥巖為主，灰黑色，含碳量較高，平均1.50m。根據(jù)22213工作面的采礦地質(zhì)條件，建立計(jì)算模型尺寸為160×100×30 m。

計(jì)算區(qū)域的巖層破壞準(zhǔn)則為莫爾-庫侖模型，固定模型底部邊界，橫向約束前后左右邊界；工作面標(biāo)高-760～-863.61m，地表標(biāo)高+30.4～+33.7m，根據(jù)工作面埋深，巷道垂直（z 軸方向）地應(yīng)力施加應(yīng)力分量 16.00MPa，水平面上沿南北方向（x 軸）應(yīng)力分量 10.67MPa；考慮到計(jì)算模型主要考察巷道圍巖變形和破壞情況，同時(shí)也為了滿足 FLAC 軟件對(duì)網(wǎng)格單元尺寸的規(guī)定要求，共劃分出 89，742 個(gè)長方體單元和 87，675個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。

3 巷道圍巖破壞特征分析

巷道斷面布置在煤層中和部分掘底兩種情況下巷道圍巖塑性區(qū)。當(dāng)巷道不對(duì)底板掘進(jìn)時(shí)，巷道開挖導(dǎo)致上幫肩角方向與采空區(qū)兩個(gè)塑型區(qū)域相互貫通，兩幫煤體塑性區(qū)類型為剪切屈服，實(shí)體煤塑性破壞范圍 2.0 m，巷道頂煤塑性范圍 1.5 m 左右，塑性區(qū)類型為受拉屈服；巷道部分掘進(jìn)底板時(shí)，兩幫煤體剪切屈服式塑性區(qū)，實(shí)體煤幫塑性區(qū)范圍明顯縮小，同時(shí)煤柱幫塑性破話范圍大面積減小，巷道頂煤減小至不到 1.0 m，為受拉屈服塑式性破壞。

對(duì)比巷道斷面布置在煤層與部分掘底兩種情況，巷道開挖支護(hù)后圍巖發(fā)生塑性變形，引起圍巖的應(yīng)力重分布，在巷道斷面角邊出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道斷面采用部分掘底的方式能有效減緩主應(yīng)力對(duì)巷道上幫的破壞，特別是對(duì)于巷道底臌變形控制具有明顯優(yōu)勢，一定程度改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使巷道周邊圍巖的應(yīng)力分布均勻，有利于巷道圍巖維持穩(wěn)定。巷道斷面部分掘底增加了頂板留煤的厚度，一定程度提高了頂板煤體完整性。綜和考慮上覆巖層厚度、錨桿錨固位置以及施工進(jìn)度，巷道采用部分掘底的方式布置。

4 巷道支護(hù)模擬計(jì)算

4.1 數(shù)值模擬方案

巷道斷面整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是圍巖支護(hù)，而影響巷道斷面穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素又是，錨桿支護(hù)參數(shù)因此設(shè)計(jì)合理可靠的錨桿長度和間排距是保障懸吊單軌吊巷道支護(hù)成功的基礎(chǔ)。根據(jù)工程項(xiàng)目背景要求，基于地質(zhì)條件分析結(jié)果和物理模擬研究結(jié)論，本節(jié)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法調(diào)整錨桿間排距和錨桿長度等參數(shù)，模擬分析不同支護(hù)方案，設(shè)計(jì) 5 組，合計(jì) 15 組數(shù)值計(jì)算方案。對(duì)于所有模擬方案，錨桿參數(shù)和巷道錨索支護(hù)條件統(tǒng)一如下：頂板錨索：規(guī)格為直徑17.8mm；間排距1600×2400mm，每排布置3根錨索；頂板錨桿：采用直徑22mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿；錨桿長度和間排距由模擬方案確定；兩幫錨桿：采用22mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿；錨桿長度和間排距由模擬方案確定。

4.2 模擬結(jié)果分析

（1）頂錨桿間距。圖1為不同頂板錨桿間距與巷道圍巖變形和錨桿支護(hù)受力的變化關(guān)系。對(duì)比模擬分析結(jié)果，頂板錨桿間距對(duì)巷道頂板錨桿受力和斷面圍巖變形影響較大，而對(duì)兩幫錨桿受力變化影響較小。頂板變形量較兩幫變形大約 60 mm，巷道上幫錨桿較下幫錨桿受力稍大，結(jié)合巷道斷面寬度，圍巖在錨桿錨固作用下形成的受力結(jié)構(gòu)需相互交叉，因此頂板錨桿間距宜小于 850 mm，距設(shè)計(jì)為 800 mm，布置 6 根錨桿較為適宜。

圖1 不同間距頂板錨桿模擬結(jié)果

（2）幫錨桿間距。幫部錨桿間距對(duì)錨桿受力、圍巖變形產(chǎn)生較大的影響較大，對(duì)頂板錨桿受力、頂板變形產(chǎn)生的影響則不大。巷道錨桿受力、圍巖變形產(chǎn)生較大變形時(shí)，巷道幫錨桿間距為 850～900 mm，結(jié)合考慮巷道斷面高度、現(xiàn)場施工便利性、單軌吊運(yùn)行影響以及后期存在沿空掘巷的情況，材料道兩幫布置 5 課錨桿，間距宜小于 850 mm，使得錨桿錨固體形成的應(yīng)力三角可以連成一個(gè)整體。

（3） 錨桿排距。巷道錨桿受力、圍巖斷面變形對(duì)錨桿排距變化較為敏感，特別是頂板圍巖變形和頂板錨桿受力，當(dāng)模擬方案中800、700 mm錨桿排距時(shí)，頂板變形量有較大的差別；兩支護(hù)方案為 900、800 mm 錨桿排距時(shí)，為巷道錨桿受力、斷面變形相差不大，考慮到目前巷道都為實(shí)體煤巷道，錨桿排距可設(shè)為 900 mm。

（4）頂錨桿長度。巷道頂板錨桿長度增加充分發(fā)揮高強(qiáng)螺紋鋼錨桿承載能力，有效控制了頂板下沉量。此外，考慮到巷道頂板需要懸吊單軌吊輔助運(yùn)輸，運(yùn)輸液壓支架對(duì)斷面高度具有嚴(yán)格要求，頂板錨桿2200mm長時(shí)，頂板巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可進(jìn)一步提高，因此選用2200mm，更加符合工程需求。

（5） 幫錨桿長度

計(jì)算方案選用長度為 2000、2200 mm 兩種幫錨桿時(shí)，斷面變形量較小，結(jié)果相差不大?？紤]到頂板懸吊單軌吊，幫部采用長 2200 mm 錨桿能一定程度減小頂板錨桿受力，因此幫錨桿長度選用2200 mm，可滿足幫部圍巖變形控制。綜上結(jié)果，首采面回采巷道支護(hù)參數(shù)：頂板錨桿間排距選用 800 × 900 mm，2200 mm 長錨桿；幫錨桿間排距選用750×900mm，2200mm長錨桿。

圖2 為材料道兩種支護(hù)方案下，巷道塑性區(qū)發(fā)育情況對(duì)比。在該支護(hù)方案下圍巖應(yīng)力顯著改善，最大水平主應(yīng)力擴(kuò)展區(qū)域增大明顯，巷道幫部應(yīng)力、頂板及上幫區(qū)域應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小，巷道圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象較小，可以看出，由計(jì)算分析所優(yōu)選的支護(hù)方案對(duì)塑性區(qū)應(yīng)變可有效控制，特別是對(duì)煤柱受剪塑性破壞，控制效果明顯提升。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)

5 結(jié)論

（1）模擬計(jì)算表明，圍巖應(yīng)力在該支護(hù)方案下有顯著改善，最大水平主應(yīng)力擴(kuò)展區(qū)域增大明顯，應(yīng)力集中現(xiàn)象削弱；巷道幫部應(yīng)力、頂板及上幫區(qū)域應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小。

（2）優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案提高了圍巖支護(hù)強(qiáng)度，改善了圍巖受力狀態(tài)，顯著提高了巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，更能適應(yīng)和滿足深部大傾角工作面的工程需求