馬文樂

山西焦煤西山煤電屯蘭礦 山西 太原 030200

1 前言

煤炭資源作為我國的主要能源消耗一直支撐著我國人民的生產(chǎn)生活，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國現(xiàn)有的煤炭總儲(chǔ)量約為900億t以上，是世界煤炭資源分布最豐富的國家。隨著我國綠色能源的不斷發(fā)展，風(fēng)能、水能、太陽能等清潔能源逐步成為我國能源消耗的目標(biāo)，但考慮到我國現(xiàn)有的國情及能源消耗量，清潔能源的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠我國能源的消耗，所在在今后很長一段時(shí)間內(nèi)，煤炭資源仍是我國能源開采的重要目標(biāo)。據(jù)預(yù)測，直至21世紀(jì)50年代，我國對煤炭資源的需求量仍占具能源總量的70%以上。同時(shí)隨著開采年限的增加，賦存條件較為簡單的煤層已經(jīng)逐步得到一定的開采，我國對煤炭資源的開采逐步向著深部煤層繼續(xù)轉(zhuǎn)移，我國開采深度以每年8-12m的速度下降。隨著開采深度的增加，回采巷道底鼓問題逐步凸顯出來成為了亟待解決的技術(shù)難題[1-2]。為了保證礦井的生產(chǎn)安全，許多學(xué)者對巷道底板進(jìn)行支護(hù)研究，提出支護(hù)方案[3-4]。本文針對回采巷道底鼓的難題，對巷道底板破壞機(jī)理作出一定的研究，從而給出巷道的支護(hù)方案。有效的降低了巷道維修費(fèi)用，提升了礦山經(jīng)濟(jì)。

2 巷道支護(hù)分析

屯蘭礦位于山西古交西部，井田面積64.49km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400萬噸/年，目前主采2#、8#煤層，8#煤層厚度為3.48m～6.76m，煤層厚度為5.29m，屬于厚煤層，礦井可采面積約為12.26km2，煤層的抗壓強(qiáng)度約為24.97MPa，8#煤層的容重為1.38t/m3。

礦井屬于高瓦斯礦。隨著開采深度的增加，巷道不穩(wěn)定等各種問題逐步凸顯。巷道的變形隨著不同地質(zhì)條件而改變，所以根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況對巷道底鼓情況進(jìn)行分析，給出相應(yīng)的治理控制技術(shù)。

煤層的偽頂厚度約為0.6m，覆巖的巖性為炭質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖。巷道直接頂為砂質(zhì)泥巖，由于砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度較差，極易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，老頂巖性屬于較為穩(wěn)定的巖體。煤層偽底為砂質(zhì)泥巖、根土泥巖和炭質(zhì)泥巖，直接底為砂質(zhì)泥巖厚度約為3m，老底巖性為砂巖，巖石厚度約為5～10m，底板整體穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。由于頂板及兩幫位置的支護(hù)強(qiáng)度較差，使得垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)移至巷道的底板，造成巷道的底板的底鼓。

為了解決原有支護(hù)方式下巷道變形嚴(yán)重的問題，本文利用數(shù)值模擬軟件對無支護(hù)及原有支護(hù)下的巷道變形進(jìn)行研究，從而給出原有支護(hù)方案的優(yōu)化措施。本文的數(shù)值模擬選用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究，首先進(jìn)行模型的建立，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件建立矩形斷面，斷面的尺寸設(shè)定為寬5m、高3.1m，模型的尺寸長寬高分別為25m、25m、22.7m，完成模型長寬高設(shè)定后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)需要考慮模擬計(jì)算的精度及模擬計(jì)算的時(shí)間，適當(dāng)?shù)倪x定網(wǎng)格劃分方式可以提升模擬的效率，網(wǎng)格劃分共有112500個(gè)。完成模型劃分后對模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，固定模型下邊界，固定左右邊界的X方向位移，固定前后Y向位移，根據(jù)覆巖的容重計(jì)算施加模型上表面應(yīng)力16.25MPa，完成模型的建立，完成模型建立后對模型無支護(hù)和原有支護(hù)方案下巷道圍巖的垂直位移進(jìn)行研究如圖1所示。

圖1 圍巖垂直方向位移曲線

如圖1所示可以看出，隨著距離巷道中心線距離的增加，無支護(hù)條件下的垂直位移和原有支護(hù)條件下的垂直位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在距離巷道中心線0～1m的位置巷道垂直位移逐步增大，在巷道中心線的位置原有支護(hù)條件下垂直位移為320mm，當(dāng)距離中心線的距離增大至1m時(shí)，此時(shí)原有支護(hù)條件下垂直位移達(dá)到最大值650mm，當(dāng)距離中心線距離增大至10m時(shí)，此時(shí)巷道左邊垂直位移量量減小至0mm。在巷道右邊距離中心線10m位置時(shí)垂直位移量為400mm。同時(shí)對比無支護(hù)和原有支護(hù)下的巷道垂直變形量可以看出，原有支護(hù)條件可以在一定程度上減小巷道垂直方向變形。

無支護(hù)下巷道圍巖的垂直應(yīng)力最大值為30MPa，垂直應(yīng)力主要集中于距離巷道幫腳約2-4m的位置，巷道圍巖的整體應(yīng)力分布較大，頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力隨著距離巷道距離的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在距離7m的范圍內(nèi)垂直應(yīng)力小于原巖應(yīng)力16.25MPa，此時(shí)巷道頂板的力通過巷道兩幫轉(zhuǎn)移至巷道底板位置，造成底板的破壞，底板出現(xiàn)隆起的底鼓，可以看出巷道的底鼓量與巷道兩幫的垂直應(yīng)力有關(guān)。在目前的支護(hù)下，巷道圍巖的垂直應(yīng)力最大值降低至26MPa，此時(shí)的巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷幫兩肩距離巷道底板幫腳1.5～2m的位置，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力隨著距離巷道距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，底板整體應(yīng)力變化不大，原支護(hù)有效的增加了巷道頂板及兩幫位置的承載力，在巷道的兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時(shí)巷道兩幫的垂直應(yīng)力一部分轉(zhuǎn)移至肩處，另一部分向 巷道底板的兩側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，造成巷道幫腳出現(xiàn)破壞，可以看出原有支護(hù)對巷道幫角的支護(hù)效果較差，巷道幫角的支護(hù)是巷道整環(huán)支護(hù)的重要環(huán)節(jié)。

3 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對運(yùn)輸巷道底鼓情況嚴(yán)重的問題，在原有支護(hù)條件的基礎(chǔ)上將錨桿的間距縮小800mm，錨索的間距縮小至1600mm，錨桿的長度縮小至2000mm，錨索的選用長度縮小至6000mm，利用錨網(wǎng)索噴進(jìn)行巷道的控制。根據(jù)實(shí)際情況提出如圖2的支護(hù)方案。

圖2 優(yōu)化支護(hù)方案對比圖

對不同支護(hù)方案下的底板垂直方向變形進(jìn)行對比分析，對比圖如3所示。

從圖3可以看出，錨網(wǎng)索支護(hù)和錨網(wǎng)索配合底錨支護(hù)后巷道底板垂直方向變形量明顯減小，同時(shí)隨著距離底板垂直方向距離的增大而逐步增大，當(dāng)選定錨網(wǎng)索配合底錨支護(hù)后巷道底板的垂直方向變形量控制在了200mm以下，當(dāng)采用錨索網(wǎng)支護(hù)后，底鼓變形量的最大值為232mm，相較于原有支護(hù)下巷道底鼓變形量的最大值降低了252mm，而錨網(wǎng)索配合底錨支護(hù)巷道底鼓變形量較原支護(hù)下降了160mm，下將幅度較錨網(wǎng)索支護(hù)有了一定的提升，所以底錨的加固對巷道底鼓的控制十分有效，錨網(wǎng)索配合底錨支護(hù)效果較為理想。

圖4 不同支護(hù)條件下底板垂直方向變形對比圖

4 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著距離巷道中心線距離的增加，無支護(hù)條件下的垂直位移和原有支護(hù)條件下的垂直位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

（2）通過對無支護(hù)和原有支護(hù)效果下巷道圍巖垂直應(yīng)力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，原有支護(hù)對巷道幫角的支護(hù)效果較差，巷道幫角的支護(hù)是巷道整環(huán)支護(hù)的重要環(huán)節(jié)。

（3）錨網(wǎng)索支護(hù)和錨網(wǎng)索配合底錨支護(hù)后巷道底板垂直方向變形量明顯減小，錨網(wǎng)索配合底錨支護(hù)對底鼓控制十分有效。