回采工作面巷道圍巖變形特征與支護技術研究

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，受高地應力及采動應力的影響，巷道圍巖控制難度增加。國內(nèi)外許多學者對工作面回采巷道控制進行了研究，得到了許多有益的結論。萬威[1]分析了煤礦高地應力、軟巖復合頂板回采巷道變形特點，提出了全斷面高預緊力錨索支護技術。張旭清[2]分析了地應力對深部回采巷道布置方向的影響，并通過現(xiàn)場監(jiān)測，分析了巷道受地應力影響的變形特征。上述研究對深部回采巷道的支護控制提供了重要參考，對鎮(zhèn)城底礦而言，除了受高地應力影響外，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一步加大，因此，需根據(jù)工作面的采礦地質(zhì)條件，進行工作面回采巷道支護優(yōu)化設計。

2 巷道支護優(yōu)化計算模型

鎮(zhèn)城底礦位于山西古交西北處，井田面積16.63 km2，年設計生產(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，建立計算模型尺寸為160×100×30 m。

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

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)。當巷道不對底板掘進時，巷道開挖導致上幫肩角方向與采空區(qū)兩個塑型區(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；巷道部分掘進底板時，兩幫煤體剪切屈服式塑性區(qū)，實體煤幫塑性區(qū)范圍明顯縮小，同時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，巷道開挖支護后圍巖發(fā)生塑性變形，引起圍巖的應力重分布，在巷道斷面角邊出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，巷道斷面采用部分掘底的方式能有效減緩主應力對巷道上幫的破壞，特別是對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力狀態(tài)，使巷道周邊圍巖的應力分布均勻，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度，巷道采用部分掘底的方式布置。

4 巷道支護模擬計算

4.1 數(shù)值模擬方案

巷道斷面整個支護結構的關鍵是圍巖支護，而影響巷道斷面穩(wěn)定性的關鍵因素又是，錨桿支護參數(shù)因此設計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成功的基礎。根據(jù)工程項目背景要求，基于地質(zhì)條件分析結果和物理模擬研究結論，本節(jié)采用動態(tài)設計法調(diào)整錨桿間排距和錨桿長度等參數(shù)，模擬分析不同支護方案，設計 5 組，合計 15 組數(shù)值計算方案。對于所有模擬方案，錨桿參數(shù)和巷道錨索支護條件統(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受力的變化關系。對比模擬分析結果，頂板錨桿間距對巷道頂板錨桿受力和斷面圍巖變形影響較大，而對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，結合巷道斷面寬度，圍巖在錨桿錨固作用下形成的受力結構需相互交叉，因此頂板錨桿間距宜小于 850 mm，距設計為 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果

（2）幫錨桿間距。幫部錨桿間距對錨桿受力、圍巖變形產(chǎn)生較大的影響較大，對頂板錨桿受力、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，巷道幫錨桿間距為 850～900 mm，結合考慮巷道斷面高度、現(xiàn)場施工便利性、單軌吊運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力三角可以連成一個整體。

（3） 錨桿排距。巷道錨桿受力、圍巖斷面變形對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，當模擬方案中800、700 mm錨桿排距時，頂板變形量有較大的差別；兩支護方案為 900、800 mm 錨桿排距時，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體煤巷道，錨桿排距可設為 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輸，運輸液壓支架對斷面高度具有嚴格要求，頂板錨桿2200mm長時，頂板巖層結構穩(wěn)定性可進一步提高，因此選用2200mm，更加符合工程需求。

（5） 幫錨桿長度

計算方案選用長度為 2000、2200 mm 兩種幫錨桿時，斷面變形量較小，結果相差不大。考慮到頂板懸吊單軌吊，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。綜上結果，首采面回采巷道支護參數(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 為材料道兩種支護方案下，巷道塑性區(qū)發(fā)育情況對比。在該支護方案下圍巖應力顯著改善，最大水平主應力擴展區(qū)域增大明顯，巷道幫部應力、頂板及上幫區(qū)域應力集中區(qū)域明顯減小，巷道圍巖應力集中現(xiàn)象較小，可以看出，由計算分析所優(yōu)選的支護方案對塑性區(qū)應變可有效控制，特別是對煤柱受剪塑性破壞，控制效果明顯提升。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)

5 結論

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

（2）優(yōu)化后的巷道支護方案提高了圍巖支護強度，改善了圍巖受力狀態(tài)，顯著提高了巷道圍巖結構穩(wěn)定性，更能適應和滿足深部大傾角工作面的工程需求