镇城底矿回采巷道支护机理研究

魏海潮

（山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原030053）

0 引 言

煤炭作为我国的主要能源消耗，一直支撑着我国人民的生产生活。据统计，我国现有的煤炭总储量约为900亿t以上，是世界煤炭资源分布最丰富的国家，在今后很长一段时间内，煤炭资源仍是我国能源开采的重要目标。据预测，直至21世纪50年代，我国对煤炭资源的需求量仍占具能源总量的70%以上。同时随着开采年限的增加，赋存条件较为简单的煤层已经逐步得到一定的开采，我国对煤炭资源的开采逐步向着深部煤层继续转移，开采深度以每年8～12 m的速度下降。随着开采深度的增加，回采巷道底鼓问题逐步凸显出来，成为亟待解决的技术难题[1-2]。为保证矿井的生产安全，许多学者对巷道底板进行支护研究，提出支护方案[3-4]。本文针对镇城底矿28108工作面回采巷道底鼓的难题，对巷道底板破坏机理作出一定的研究，给出了巷道的支护方案，降低了巷道维修费用，提升了矿山经济效益。

1 巷道支护分析

镇城底矿隶属于焦煤集团，其位置位于山西省古交市西北处，矿井田占地面积约16.63 km2，矿井西北走向6.6 km，南北走向平均宽度约为3.6 km，镇城底矿年设计生产能力为190万t。4号煤层厚度为3.48～6.76 m，煤层厚度为5.29 m，属于厚煤层，矿井可采面积约为12.26 km2，煤层的抗压强度约为24.97 MPa，4号煤层的容重为1.38 t/m3。矿井属于高瓦斯矿。随着开采深度的增加，巷道不稳定等各种问题逐步凸显。根据实际地质情况，对巷道底鼓情况进行分析，给出相应的治理控制技术[5]。

本文利用数值模拟软件，对无支护及原有支护下的巷道变形进行研究，从而给出原有支护方案的优化措施[6-7]。选用FLAC3D数值模拟软件进行研究，首先建立模型，根据实际地质条件建立矩形断面，断面的尺寸设定为宽5 m、高3.1 m，模型尺寸长宽高分别为25、25、22.7 m，对模型进行网格划分，划分112 500个。完成模型划分后对模型进行边界条件设定，固定模型下边界，固定左右边界的X方向位移，固定前后Y向位移，根据覆岩的容重，计算施加模型上表面应力16.25 MPa，对模型无支护和原有支护方案下巷道围岩的垂直位移进行研究，如图1所示。

图1 围岩垂直方向位移曲线Fig.1 Displacement curve of surrounding rock in vertical direction

可以看出，随着距离巷道中心线增加，无支护条件下的垂直位移和原有支护条件下的垂直位移呈现出先增大后减小的趋势，在距离巷道中心线0～1 m的位置，巷道垂直位移逐步增大，在巷道中心线的位置，原有支护条件下垂直位移为320 mm，当距离中心线的距离增大至1 m时，原有支护条件下垂直位移达到最大值650 mm，当距离中心线距离增大至10 m时，巷道左边垂直位移量减小至0。在巷道右边距离中心线10 m位置时，垂直位移量为400 mm。对比无支护和原有支护下的巷道垂直变形量可以看出，原有支护条件可以在一定程度上减小巷道垂直方向变形[8]。

对比原有支护和无支护条件下巷道的垂直应力分布情况，如图2所示。

图2 巷道垂直应力分布对比Fig.2 Comparison of vertical stress distribution in roadway

可以看出，无支护下巷道围岩的垂直应力最大值为30 MPa，垂直应力主要集中于距离巷道帮脚约2～4 m的位置，巷道围岩的整体应力分布较大，顶底板的垂直应力随距离巷道的增加出现先增大后减小的趋势，在距离7 m的范围内，垂直应力小于原岩应力16.25 MPa，此时巷道顶板的力通过巷道两帮转移至巷道底板位置，造成底板破坏，底板出现隆起的底鼓，可以看出巷道的底鼓量与巷道两帮的垂直应力有关。在目前的支护下，巷道围岩的垂直应力最大值降低至26 MPa，此时的巷道围岩应力集中区域主要分布于巷帮两肩，距离巷道底板帮脚1.5～2 m的位置，顶底板垂直应力随距离巷道的增加呈现先增大后减小的趋势，底板整体应力变化不大，原支护有效的增加了巷道顶板及两帮位置的承载力，在巷道的两帮出现应力集中，此时巷道两帮的垂直应力一部分转移至肩处，另一部分向巷道底板两侧进行转移，造成巷道帮脚出现破坏。可以看出，原有支护对巷道帮角的支护效果较差，巷道帮角的支护是巷道整环支护的重要环节[9]。

2 支护优化设计

针对运输巷道底鼓严重的问题，在原有支护条件的基础上将锚杆的间距缩小800 mm，锚索间距缩小至1 600 mm，锚杆的长度缩小至2 000 mm，锚索的选用长度缩小至6 000 mm，利用锚网索喷进行巷道的控制。根据实际情况提出如图3的支护方案。

图3 优化支护方案对比Fig.3 Comparison of optimized support schemes

对不同支护方案下的底板垂直方向变形进行对比分析，如图4所示。

从图4可以看出，锚网索支护和锚网索配合底锚支护后巷道底板垂直方向变形量明显减小，同时随着距离底板垂直方向距离的增加而逐步增大，当选定锚网索配合底锚支护后巷道底板的垂直方向变形量控制在200 mm以下，当采用锚索网支护后，底鼓变形量的最大值为232 mm，相较于原有支护下巷道底鼓变形量的最大值降低了252 mm，而锚网索配合底锚支护巷道底鼓变形量，较原支护下降了160 mm，下将幅度较锚网索支护有了一定的提升，所以底锚的加固对巷道底鼓的控制十分有效，锚网索配合底锚支护效果较为理想[10]。

（2）通过对无支护和原有支护效果下巷道围岩垂直应力进行分析发现，原有支护对巷道帮角的支护效果较差，巷道帮角的支护是巷道整环支护的重要环节。

图4 不同支护条件下底板垂直方向变形对比Fig.4 Comparison of vertical deformation of floor under different supporting conditions

3 结 论

（1）通过数值模拟发现，随着距离巷道中心线距离的增加，无支护条件下的垂直位移和原有支护条件下的垂直位移呈现出先增大后减小的趋势。

（3）锚网索支护和锚网索配合底锚支护后，巷道底板垂直方向变形量明显减小，锚网索配合底锚支护对底鼓控制十分有效。