深井高应力巷道围岩变形及控制技术研究

鲁松林

（山西乡宁焦煤集团富康源煤业有限公司，山西 临汾 041000）

我国煤炭资源储量丰富，但整体覆存不均，随着我国对煤炭资源利用年限的增加，煤炭资源的储量逐步降低，但考虑到我国煤炭储量及我国目前发展形式，煤炭资源在未来很长一段时间仍是我国国民生产生活的主要能源，具我国煤炭行业调查表明，在2030年时，我国对煤炭资源的利用仍占所有能源形式50%以上，所以煤炭资源在我国很长一段时间会保持绝对领导地位。随着我国开采年限的增加，覆存较为简单，埋深较浅的煤层已经逐步开采完毕，目前我国煤矿的开采重点逐步向着深部煤层进行转移。在深部煤层开采过程中，众多问题制约着矿井的高效开采，由于巷道处于高应力范围，所以使得巷道围岩的应力环境十分恶劣，所以巷道变形问题日益严重，所以针对高应力巷道围岩变形进行研究十分必要[1-2]。此前众多学者对高应力巷道围岩稳定性进行过一定的研究[3-4]，但由于不同巷道的埋深及应力环境大不相同，因此无法一概而论，所以本文以富康源矿10503工作面为工程背景，利用数值模拟软件对巷道围岩变形进行一定的研究，并给出巷道支护方案，为矿井高效开采提供一定的参考。

1 矿井概况及数值模拟研究

1.1 矿井概况

富康源矿位于位于乡宁县台头镇神角村，井田面积为9.75 km2，设计生产能力120万t/a，井田地质构造简单。10503工作面现主要开采2号、3号煤层，采用的是综采放顶煤采煤工艺。巷道底板标高为-1515~-1 590 m，工作面距离地面深度高达670~760 m。工作面目前主采3号煤层，煤层硬度小、易破碎，煤层厚度为4.32~5.44 m，煤层平均厚度为4.6 m，煤层近似水平，直接顶为砂质泥岩，砂质泥岩厚度为7.36 m；巷道老顶为中粒砂岩，局部直接底为砂质泥岩。目前10503工作面顺槽采用架棚支护方案，设定棚距为700 mm±50 mm，在巷道的顶板及两帮布设冷拔丝菱形网，目前顺槽变形较为严重，威胁着工作面正常开采，所以需要对巷道大变形进行治理。

1.2 数值模拟研究

利用数值模拟软件对不同支护参数下巷道围岩变形进行分析，确定巷道的支护优化方案，首先进行模型的建立，根据矿井实际情况建立模型长×高=52 m×33 m的模型，对模型进行网格划分，划分完成后模型单元共有75 480个单元和85 324个节点。设置巷道的断面形状为半圆拱形，断面尺寸为直墙高1.8 m，圆拱半径为2.9 m。对模型进行边界条件设置，在模型底面施加垂直方向固定约束，左右面施加X方向的固定约束，在模型的上表面施加覆岩的自重，施加均布荷载22 MPa，对不同支护条件下的巷道变形量进行分析，首先对不同锚杆直径下的围岩变形进行分析，不同直径锚杆下围岩变形曲线如图1所示。

图1 不同直径锚杆下围岩变形曲线

从图1可以看出，随着锚杆直径的增大，此时巷道围岩变形呈现逐步减小的趋势，此时巷道的顶板底板变形量和两帮移近量均有大幅度降低，但随着锚杆直径的持续增加，巷道变形量的下降趋势逐步减弱，所以一味的降低锚杆直径并无法线性降低巷道变形量。当锚杆杆体直径由16 mm增加到22 mm时，此时的巷道两帮、巷道顶板及底板变形量分别下降幅度为24.57%、27.10%、19.40%。当杆体直径增加到24 mm时，此时巷道两帮、顶底板变形量较锚杆直径22 mm时分别减少了11.88%、14.8%、12.68%。同时随着锚杆直径的增大，此时锚固段和黏结刚度均呈现增大趋势，锚杆控制巷道围岩变形效果较好，但锚杆直径合适即可，不能不合理加粗，避免浪费成本。

首先对不同锚杆间距下的围岩变形进行分析，不同锚杆间距下围岩变形曲线如图2所示。

图2 不同锚杆间距下围岩变形曲线

从图2可以看出，随着锚杆间距的不断增加，此时对巷道的支护效果呈现逐步减弱的趋势。此时无论顶板、两帮的变形量均有了较大幅度的增大，当锚杆间距为800 mm时，此时相比较间距700 mm时顶板、底鼓量及两帮移近量分别减小到166.8、471.2、388.7，减小幅度为32.90%、8.98%和9.18%。而间距700 mm对比锚杆间距600 mm顶板、底鼓量及两帮移近量分别减小到150.3、454.6、372.8 mm，分别减小了9.89%、3.52%、4.09%。所以当锚杆间距减小到700 mm时，继续减小锚杆的间距就无法得到巷道围岩变形量的稳定减小，所以最佳的锚杆间距为700 mm。

2 支护设计及工业化试验

2.1 支护方案设计

根据模拟结果对巷道支护方案进行优化，首先在巷道的两帮及顶板均采用尺寸为Φ22 mm×2 400 mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护，锚杆的间排距为0.7 m×0.8 m，设定锚杆钻孔直径为Φ28 mm，每支锚杆采用两卷Z2350树脂锚固剂进行锚固，设定锚杆的预紧力为60 kN。在巷道的底板打入底角锚杆，底角锚杆与底板夹角为45°。同时采用锚索进行支护，锚索尺寸为17.8 mm×6 500 mm钢绞线，每支锚索采用四卷Z2850树脂锚固剂锚固，锚索预紧力设定为100 kN。

2.2 工业化试验

对支护后的巷道进行变形监测，设定三个测站，分别对顶底板及两帮移近量进行监测，监测曲线如图3所示。

图3 巷道顶底板及两帮移近量曲线

从图3可以看出，巷道围岩表面顶板底板及两帮变形量均呈现出随时间的增加不断增大的趋势，观测发现，巷道围岩变形速率在掘巷15 d内时较大，计算巷道顶底板及两帮移近量的变形速率可以得出，两者变形速率分别达到2.3 mm/d，3.0 mm/d。当巷道掘巷大约35 d时，此时的巷道围岩变形量逐步趋于平缓，在此阶段内巷道围岩变形速度不大，顶底板和两帮变形量分别达到1.7 mm/d，2.3 mm/d。而当掘巷50 d后，此时巷道围岩变形量几乎不会发生较大的变形，此时巷道围岩逐步区域稳定。整个过程巷道顶底板和两帮移近量最大值分别为56 mm和86 mm，整体巷道变形量处于可控范围，所以支护方案可行。

3 结论

1）利用数值模拟软件对不同锚杆直径下巷道围岩变形量进行分析，发现随着锚杆直径的增大，此时巷道围岩变形呈现逐步减小的趋势，此时巷道的顶板底板变形量和两帮移近量均有大幅度降低。

2）利用数值模拟软件对不同锚杆间距下巷道围岩变形量进行分析，随着锚杆间距的不断增加，此时对巷道的支护效果逐步减弱的趋势，最终确定最佳锚杆间距为700 mm。

3）对设计的支护方案进行验证，发现巷道围岩表面顶板底板及两帮变形量均呈现出随时间的增加不断增大的趋势，整个过程巷道顶底板和两帮移近量最大值分别为56 mm和86 mm，支护方案可行。