矿井深部开采沿空巷道的围岩控制技术研究

矿井深部开采沿空巷道的围岩控制技术研究

摘要：针对深部综放沿空巷道围岩稳定性差、变形大、难支护的特点，通过理论分析、数值模拟和现场实验等方法，从巷道支护方式和巷道断面优化两方面讨论了深部综放沿空巷道的控制技术。研究结果表明：直墙半圆拱形断面、锚梁网索联合支护方式能够较好的控制深部综放沿空巷道围岩，减少巷道围岩变形，增强其稳定性。

关键词：深部综放沿空巷道半圆拱形锚网索联合支护断面优化

1、引言

随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，我国矿山相继进入深部开采。目前，我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，而东部矿井更以每年10～25m的速度增加，预计未来20年，我国很多煤矿将进入1000m～1500m的深度开采。另一方面，我国已探明煤炭资源埋深在1000m以下的储量为2.95万亿吨，约占煤炭资源总量的53％，因此，现在及未来一段时间内，我国煤矿开采将逐渐转入深部开采。

由于深部岩体所处的地球物理环境及其应力场的复杂性，在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、支护参数已难以适应深部巷道支护设计和实践的需要。深部综放沿空巷道，作为一类较特殊的回采巷道，与普通的回采巷道相比，具有以下特点：(1)综放沿空巷道布置在靠近采空区的煤体中，巷道围岩结构破碎，在掘进和回采过程中，巷道将发生较大的变形；(2)对于综放沿空巷道而言，由于巷道上方为顶煤，上覆岩层运动波及的范围及影响程度相应地增大，回采过程中的矿压显现将更加剧烈；(3)综放工作面年产量多在100万t左右，开采强度大，机械设备体积较大，且所需风量剧增，这就要求巷道具有较大的断面；(4)深部综放沿空巷道埋深大，地应力相对较大。由于以上原因，深部综放沿空巷道围岩的稳定性及其控制一直是采矿领域中的研究热点和难点。本文主要从支护方式与参数、巷道断面优化等方面讨论深部综放沿空巷道围岩的控制技术。

2、综放沿空巷道断面的优化

由于施工简单，易于成型等优点，矩形和梯形断面形状是目前国内综放沿空煤巷的主要断面形状。但根据弹性力学、岩石力学知道，这两种巷道断面都容易在4个拐角处产生应力集中，不利于巷道围岩的稳定性。直墙半圆拱形断面具有易于巷道顶板稳定、易于施工等优点，目前已经成为岩石巷道的主要形式；但由于半圆拱形巷道施工较复杂，不易成型等缺点，在煤巷中很少应用。由于深部综放沿空巷道的特殊性，尤其是综合机械化掘进易于完成直墙半圆拱形断面的开挖，因此，直墙半圆拱形断面可优先应用于综掘施工的深部综放沿空巷道中。下面将通过数值计算件模拟这两种断面对浅部、深部巷道围岩，特别是对深部综放沿空巷道顶部煤岩体稳定性的影响。

2.1计算模型和方案

模拟以某矿9302工作面上顺槽地质情况为背景，930232作面上巷为综放沿空巷道，煤层厚度平均为 5.2m。为了比较深埋与浅埋两种情况下巷道断面对围岩应力应变的影响，模拟埋深按300m、600m两种情况计算。

模拟巷道断面为矩形和直墙半圆拱形两种，主要参数如下：

(1)矩形断面为4.0m(宽)×3.0m(高)；

(2)直墙半圆拱形断面宽4.0m，高3.0m，其中墙高1.0m。

根据模拟结果，对比矩形、半圆拱形巷道在埋深300m、600m情况下的应力应变分布特征，可以找到适合于深部综放沿空巷道围岩控制的巷道断面形式。

2.2两种断面巷道的围岩应力位移的比较

图1为埋深300m、图2为埋深600m条件下的矩形巷道、直墙半圆拱巷道在掘进稳定期间的垂直应力等值线图，图中应力单位为MPa。

由图1可看出，在埋深为300m的情况下，矩形断面巷道在顶底4个拐角产生了应力集中，垂直应力最大值为9MPa；直墙半圆拱形断面在底板2个拐角处产生了应力集中，产生的应力集中程度与矩形巷道基本相同，但在拱顶的两侧(半圆拱与直墙的交界处)产生的应力集中现象与矩形巷道相比要小的多，并且直墙半圆拱形巷道顶部的应力变化相对较平缓；直墙半圆拱形断面顶部垂直应力最大值为8MPa。在埋深为300m时，矩形与直墙半圆拱形巷道的垂直应力相差仅为1MPa，差别不明显。

由图2可看出，当埋深为600m时，与埋深为300m相比，矩形、半圆拱形巷道围岩的垂直应力分布特征基本不变，但是两种断面巷道围岩的垂直应力最大值差异增大，最大垂直应力相差2MPa。预计随着深度的继续增加，矩形断面与半圆拱形断面的垂直应力差别将随之增大。

浅埋和深埋下不同断面的围岩位移差别与应力特征相似，矩形巷道顶部煤岩体垂直位移量明显大于半圆拱形巷道的垂直位移量。由此可看出，随着埋深的增大，直墙半圆拱巷道在控制巷道顶部的煤岩体变形方面比矩形巷道效果好。

根据以上分析可知，与矩形巷道相比，尽管直墙半圆拱形断面施工较复杂，但是其有利于缓解沿空巷道围岩的应力集中程度，能够有效地减少巷道顶部煤岩体的位移，减小巷道围岩的变形；特别是随着埋深的不断增加，直墙半圆拱形断面这一优点将愈加突出。因此，在埋深较大的巷道断面的选取上，应选用直墙半圆拱形断面。

与钻眼放炮掘进工艺相比，综合机械化掘进工艺对巷道围岩的破坏损伤程度较小，并且易于保证巷道的拱形断面成型，有利于深部综放沿空巷道围岩的稳定。

3、深部综放沿空巷道支护方式及参数

传统的回采巷道支护方式包括棚式支护和锚杆支护。常用的棚式支护主要有工字钢支架、u型钢可缩性拱形支架和环形支架等，棚式支护一般属“被动支护”，基本不具初撑力，只是在围岩变形后，随围岩变形的增加，支架支护阻力才逐渐增长。锚杆支护属“主动支护”，与棚式支护相比，锚杆支护由于具有技术成熟，施工简单，经济效益明显等优点，已逐渐成为回采巷道的主要支护方式。

由于深部综放沿空巷道具有留设顶煤、沿煤层底板和相邻采空区布置、断面大、经历采掘影响等特点，仅仅采用锚杆支护综放沿空巷道，往往不能有效控制围岩，特别是顶煤的离层，为此，需采用“锚杆+锚索+金属网”联合支护形式，以保证生产的安全。

综放沿空巷道的长度一般较长，短者数百米，长的可达1～2千米。在如此长的巷道中，只有当巷道围岩条件基本相同时，同一种支护形式和参数才可能适用于整条巷道。一旦巷道围岩发生了明显的变化，或者出现了地质构造(例如出现断层，向斜或背斜的轴部等)，由于构造应力的作用，则需对支护形式和参数进行调整，才能适应新的围岩条件和地质情况。例如深部综放沿空巷道围岩由完整状态变为破碎状态时，可增大锚杆的长度及支护密度；当巷道接近断层、向斜或背斜的轴部等地质构造时，可采用“锚网索+金属梁”支护方式，甚至是“锚梁网索+金属支架”联合支护方式才能有效控制该特殊地段的巷道围岩，以防止深部综放沿空巷道出现支护失效导致的顶板事故。

对于采用锚网索支护的深部综放沿空巷道而言，增大锚杆或锚索的直径、长度，减小锚杆或锚索的间排距，都能明显提高支护强度，降低巷道围岩的变形量。