魯松林

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)富康源煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富，但整體覆存不均，隨著我國對(duì)煤炭資源利用年限的增加，煤炭資源的儲(chǔ)量逐步降低，但考慮到我國煤炭儲(chǔ)量及我國目前發(fā)展形式，煤炭資源在未來很長一段時(shí)間仍是我國國民生產(chǎn)生活的主要能源，具我國煤炭行業(yè)調(diào)查表明，在2030年時(shí)，我國對(duì)煤炭資源的利用仍占所有能源形式50%以上，所以煤炭資源在我國很長一段時(shí)間會(huì)保持絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位。隨著我國開采年限的增加，覆存較為簡單，埋深較淺的煤層已經(jīng)逐步開采完畢，目前我國煤礦的開采重點(diǎn)逐步向著深部煤層進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在深部煤層開采過程中，眾多問題制約著礦井的高效開采，由于巷道處于高應(yīng)力范圍，所以使得巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境十分惡劣，所以巷道變形問題日益嚴(yán)重，所以針對(duì)高應(yīng)力巷道圍巖變形進(jìn)行研究十分必要[1-2]。此前眾多學(xué)者對(duì)高應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行過一定的研究[3-4]，但由于不同巷道的埋深及應(yīng)力環(huán)境大不相同，因此無法一概而論，所以本文以富康源礦10503工作面為工程背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行一定的研究，并給出巷道支護(hù)方案，為礦井高效開采提供一定的參考。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

1.1 礦井概況

富康源礦位于位于鄉(xiāng)寧縣臺(tái)頭鎮(zhèn)神角村，井田面積為9.75 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單。10503工作面現(xiàn)主要開采2號(hào)、3號(hào)煤層，采用的是綜采放頂煤采煤工藝。巷道底板標(biāo)高為-1515~-1 590 m，工作面距離地面深度高達(dá)670~760 m。工作面目前主采3號(hào)煤層，煤層硬度小、易破碎，煤層厚度為4.32~5.44 m，煤層平均厚度為4.6 m，煤層近似水平，直接頂為砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖厚度為7.36 m；巷道老頂為中粒砂巖，局部直接底為砂質(zhì)泥巖。目前10503工作面順槽采用架棚支護(hù)方案，設(shè)定棚距為700 mm±50 mm，在巷道的頂板及兩幫布設(shè)冷拔絲菱形網(wǎng)，目前順槽變形較為嚴(yán)重，威脅著工作面正常開采，所以需要對(duì)巷道大變形進(jìn)行治理。

1.2 數(shù)值模擬研究

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖變形進(jìn)行分析，確定巷道的支護(hù)優(yōu)化方案，首先進(jìn)行模型的建立，根據(jù)礦井實(shí)際情況建立模型長×高=52 m×33 m的模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后模型單元共有75 480個(gè)單元和85 324個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)置巷道的斷面形狀為半圓拱形，斷面尺寸為直墻高1.8 m，圓拱半徑為2.9 m。對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，在模型底面施加垂直方向固定約束，左右面施加X方向的固定約束，在模型的上表面施加覆巖的自重，施加均布荷載22 MPa，對(duì)不同支護(hù)條件下的巷道變形量進(jìn)行分析，首先對(duì)不同錨桿直徑下的圍巖變形進(jìn)行分析，不同直徑錨桿下圍巖變形曲線如圖1所示。

圖1 不同直徑錨桿下圍巖變形曲線

從圖1可以看出，隨著錨桿直徑的增大，此時(shí)巷道圍巖變形呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，此時(shí)巷道的頂板底板變形量和兩幫移近量均有大幅度降低，但隨著錨桿直徑的持續(xù)增加，巷道變形量的下降趨勢(shì)逐步減弱，所以一味的降低錨桿直徑并無法線性降低巷道變形量。當(dāng)錨桿桿體直徑由16 mm增加到22 mm時(shí)，此時(shí)的巷道兩幫、巷道頂板及底板變形量分別下降幅度為24.57%、27.10%、19.40%。當(dāng)桿體直徑增加到24 mm時(shí)，此時(shí)巷道兩幫、頂?shù)装遄冃瘟枯^錨桿直徑22 mm時(shí)分別減少了11.88%、14.8%、12.68%。同時(shí)隨著錨桿直徑的增大，此時(shí)錨固段和黏結(jié)剛度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，錨桿控制巷道圍巖變形效果較好，但錨桿直徑合適即可，不能不合理加粗，避免浪費(fèi)成本。

首先對(duì)不同錨桿間距下的圍巖變形進(jìn)行分析，不同錨桿間距下圍巖變形曲線如圖2所示。

圖2 不同錨桿間距下圍巖變形曲線

從圖2可以看出，隨著錨桿間距的不斷增加，此時(shí)對(duì)巷道的支護(hù)效果呈現(xiàn)逐步減弱的趨勢(shì)。此時(shí)無論頂板、兩幫的變形量均有了較大幅度的增大，當(dāng)錨桿間距為800 mm時(shí)，此時(shí)相比較間距700 mm時(shí)頂板、底鼓量及兩幫移近量分別減小到166.8、471.2、388.7，減小幅度為32.90%、8.98%和9.18%。而間距700 mm對(duì)比錨桿間距600 mm頂板、底鼓量及兩幫移近量分別減小到150.3、454.6、372.8 mm，分別減小了9.89%、3.52%、4.09%。所以當(dāng)錨桿間距減小到700 mm時(shí)，繼續(xù)減小錨桿的間距就無法得到巷道圍巖變形量的穩(wěn)定減小，所以最佳的錨桿間距為700 mm。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)及工業(yè)化試驗(yàn)

2.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，首先在巷道的兩幫及頂板均采用尺寸為Φ22 mm×2 400 mm的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿的間排距為0.7 m×0.8 m，設(shè)定錨桿鉆孔直徑為Φ28 mm，每支錨桿采用兩卷Z2350樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，設(shè)定錨桿的預(yù)緊力為60 kN。在巷道的底板打入底角錨桿，底角錨桿與底板夾角為45°。同時(shí)采用錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索尺寸為17.8 mm×6 500 mm鋼絞線，每支錨索采用四卷Z2850樹脂錨固劑錨固，錨索預(yù)緊力設(shè)定為100 kN。

2.2 工業(yè)化試驗(yàn)

對(duì)支護(hù)后的巷道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，設(shè)定三個(gè)測(cè)站，分別對(duì)頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平壳€

從圖3可以看出，巷道圍巖表面頂板底板及兩幫變形量均呈現(xiàn)出隨時(shí)間的增加不斷增大的趨勢(shì)，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形速率在掘巷15 d內(nèi)時(shí)較大，計(jì)算巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平康淖冃嗡俾士梢缘贸?，兩者變形速率分別達(dá)到2.3 mm/d，3.0 mm/d。當(dāng)巷道掘巷大約35 d時(shí)，此時(shí)的巷道圍巖變形量逐步趨于平緩，在此階段內(nèi)巷道圍巖變形速度不大，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟糠謩e達(dá)到1.7 mm/d，2.3 mm/d。而當(dāng)掘巷50 d后，此時(shí)巷道圍巖變形量幾乎不會(huì)發(fā)生較大的變形，此時(shí)巷道圍巖逐步區(qū)域穩(wěn)定。整個(gè)過程巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為56 mm和86 mm，整體巷道變形量處于可控范圍，所以支護(hù)方案可行。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同錨桿直徑下巷道圍巖變形量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著錨桿直徑的增大，此時(shí)巷道圍巖變形呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，此時(shí)巷道的頂板底板變形量和兩幫移近量均有大幅度降低。

2）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同錨桿間距下巷道圍巖變形量進(jìn)行分析，隨著錨桿間距的不斷增加，此時(shí)對(duì)巷道的支護(hù)效果逐步減弱的趨勢(shì)，最終確定最佳錨桿間距為700 mm。

3）對(duì)設(shè)計(jì)的支護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖表面頂板底板及兩幫變形量均呈現(xiàn)出隨時(shí)間的增加不斷增大的趨勢(shì)，整個(gè)過程巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為56 mm和86 mm，支護(hù)方案可行。