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深井动压诱导巷道变形支护技术研究

2023-11-17 75 上传者：管理员

摘要：针对深部动压诱导巷道围岩大变形、强烈底鼓等围岩控制难题，以朱集西矿13501工作面顺槽为背景，通过FLAC3D数值模拟发现，11-2煤层开采导致13501工作面轨道顺槽垂直应力增大，巷道肩窝和底角变形增加且内突成三角形状；并基于此提出“补打中空注浆锚索”加强支护手段，有效控制了巷道围岩变形，为巷道安全生产提供了良好条件。

关键词：
FLAC3D
大变形
支护手段
深井开采
深部
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随着矿山开采规模和深度逐渐加大，我国诸多矿井逐渐进入深部开采状态[1,2]，而深井开采中又存在工作面接替紧张问题，即上工作面采动对下工作面影响尚未稳定，则立即回采相邻工作面，使上工作面残余应力与本工作面超前支撑压力产生双重叠加作用，从而引起巷道顶板变形剧烈、煤柱炸帮和严重底鼓等异常动压显现等灾害事故[3,4,5]。因此，针对采动诱导相邻巷道围岩发生灾害事故，提出安全支护加固方案具有重要意义。

目前国内外专家为此做出大量的实验，常青[6]采用数值模拟及现场监测手段以“高强锚网索+喷浆”联合支护的围岩控制方案阶段动压巷道围岩变形严重难题。李海波[7]通过实施“高强度锚网索+喷浆”支护计划，有效控制了巷道围岩的破坏和变形，从而达到支护效果要求。康天慧[8]等通过数值模拟及理论分析手段，分析了下邻回采巷道受采动影响的围岩变形规律，揭示了动压巷道围岩变形破坏机理，提出了巷道长锚索支护+短锚索补强+钢带联合差异化控制的分断面锚索加固技术。杨文帅[9]为解决王家岭煤矿12301工作面回风巷道顶板安全问题，利用数值模拟进行矿压分析，并提出高强预应力锚杆索组合支护技术。

为此本文根据朱集西矿13501工作面运输顺槽为工程背景，利用FLAC3D数值模拟分析13501工作面顺槽受下部工作面开采影响下的应力场、位移场时空演化规律，并提出巷道支护补强防控方案。

1、工程概况

13501工作面为13-1煤五采区首采工作面，工作面以倾斜长壁方式布置，其中工作面长为1 412 m，宽为205 m，煤厚为3.29～5.31 m，平均煤厚为3.86m，煤层标高在-984.3 m～881.0 m之间，变异系数γ=23%，可采性指数K=1。13501工作面位于11-2煤11501、11502的上方，其中，13-1煤层的底部与11-2煤层的顶部之间的距离介于63.6～84.4 m之间，两者间平均距离为73.2 m。根据《朱集西矿井建井期间13-1煤层突出危险性评估》，矿井13-1煤层具有突出危险性。

11502工作面宽211 m、长1 320 m，目前11502工作面正在回采。11-2煤层与上覆13-1煤层间距63.6～84.4 m，平均间距73.2 m,11-2煤层厚1.30～1.90 m，平均1.50 m，工作面煤岩层倾角为1°～9°，平均倾角7°。

由于13-1煤工作面利用下解放层卸压保护开采，一直都存在工作面接替紧张问题，13501工作面运输顺槽在11502工作面回采结束之后开始掘进，受下覆11煤工作面采动影响相对较小，但13501工作面运输顺槽部分巷道位于11502工作面停采线外，因煤柱上方受支承压力作用，则该段巷道围岩稳定性较弱，见图1。

2、11-2煤层开采上覆岩层数值模拟分析

2.1 FLAC数值模型建立

根据朱集西矿13501工作面地质采矿条件(各岩层基本参数见表1)，建立11502工作面回采结束后，对处于11501工作面停产线煤柱上方的13501轨道顺槽造成叠加影响的FLAC3D数值分析模型。设定回采工作面长度为214 m，留设8 m小煤柱。煤层边界的长度和宽度分别为102 m和640 m。模型y方向长度和高度分别为900 m和150 m，并且工作面沿y轴正方向推进，11-2煤与13-1煤垂直距离为70 m。根据矿井地质资料设置模型x向侧压系数1.4,y向侧压系数0.75。建立模型见图2。

图2 巷道开挖数值模型图

表1 模型岩体力学参数

2.2 11502工作面回采应力分析

由图3中可以看出，巷道开挖后，巷道周围应力重新分布，其中巷道两帮出现明显的应力集中现象，且呈现出左右对称的趋势，最大值为38.3 MPa，可以看出在两个支承压力区的叠加影响下，巷道围岩垂直应力增大，集中体现在巷道两帮的位置，这也是造成巷道底鼓量大的原因。

图1 工作面布置图

图3 Z轴垂直应力分布图

2.3 11502回采工作面位移分析

图4、图5分别为13501轨道顺槽巷道围岩Z和X轴位移分布云图，可以看出13501轨道顺槽巷道底板Z轴表面位移为540 mm，顶板表面位移为310mm；左帮围岩水平位移最大值为334 mm左右，巷道右帮围岩（靠近11502工作面侧）水平位移最大值为328 mm左右，从图5中可以明显发现，在巷道肩窝和底角的地方变形量最大，且内突成三角形，而且巷道右帮位移稍大于巷道左帮的位移。可以发现若对锚杆(索)锚固力达不到设计要求，则锚杆(索)不能对巷道围岩起到主动支护作用，巷道围岩与锚杆索也不能形成一个完整的锚固体，就会造成巷道围岩变形较大。

图4 巷道围岩Z轴位移分布图

图5 巷道围岩X轴位移分布图

3、13501工作面顺槽支护方案优化及支护效果分析

3.1 13501工作面顺槽支护方案优化

根据13501工作面顺槽支护初始设计、监测和信息反馈分析，采动影响下13501工作面轨道顺槽变形严重，因此提出加强支护措施：补打中空注浆锚索。采用长度为6 300 mm的中空注浆锚索，锚索间排距为1.2 m×1.6 m，外露长度150～250 mm，锚索张紧力不低于150 k N，每根锚索使用3卷Z2850型锚固剂。

3.2 矿压监测及护效果分析

从图6可以看出采用修正后的锚网支护设计方案后，6#顶板离层仪巷道顶板变形量大幅减小，浅部变形量由支护方案前的100 mm左右变为42 mm，深部变形量35 mm左右变为23 mm，而且巷道顶板变形在距离掘进迎头35 m左右就趋于稳定，顶板变形稳定迎头距减小。7#测点巷道顶板变形量很小，巷道顶板稳定性得到有效控制。浅部基点变形量稳定在8mm，深部基点变形量稳定在3 mm。

图6 顶板离层量与掘进迎头距离关系图

为了更加清晰的阐述采用修正锚网支护方案前后巷道顶板离层观测数据变化，选取距离迎头77 m左右不同测点巷道顶板离层量数据进行分析，从图7可以看出，自5#与6#顶板离层仪采用修正锚网支护方案后，深部基点和浅部基点变形量显著减小，巷道围岩变形得到了有效控制。

图7 距掘进迎头77 m不同离层仪观测数据图

4、结论

通过FLAC3D数值模拟发现11502回采导致13501回风顺槽两帮出现明显的应力集中现象，且呈现出左右对称的趋势，巷道垂直应力出现增大现象，并且在巷道肩窝和底角的地方变形量最大，且内突形成三角形。

根据数值模拟结果对13501工作面轨道顺槽进行加强支护，提出“补打中空注浆锚索”加固技术方案。

采取加固技术方案后，通过对13501回风顺槽顶板离层仪各项数据的对比分析，发现锚网支护参数优化效果明显，巷道围岩变形得到了有效控制。

参考文献:

[1]康红普,范明建,高富强,等.超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术[J].岩石力学与工程学报,2015,34(11):2227-2241.

[2]何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005(16):2803-2813.

[3]孙晓明,何满潮.深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2005(2):37-40.

[4]王卫军,彭刚,黄俊.高应力极软破碎岩层巷道高强度耦合支护技术研究[J].煤炭学报,2011,36(2):223-228.