深井高应力巷道围岩变形特征及支护技术研究_刘敏杰.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2021-12-26修回日期：2021-12-28作者简介：刘敏杰（1987-），男（汉族），山西临汾人，工程师，现从事煤矿生产技术管理工作。深井高应力巷道围岩变形特征及支护技术研究刘敏杰*（山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司，山西 临汾 041000）摘要：随着矿井采掘深度的不断延伸，地应力随深度增加而增高,在开采软岩巷道时变形严重，支护困难。以申南凹矿20108工作面为工程背景，采用数值模拟软件对不同锚杆直径及不同锚杆间距下巷道围岩变形量进行分析，发现随着锚杆直径的增大、锚杆间距的减小，巷道围岩变形呈现逐步减小的趋势，但减小的趋势呈现逐步减弱的趋势，根据模拟结果给出支护方案，根据现场模拟试验对支护方案进行研究发现巷道围岩表面顶板底板及两帮变形量均呈现出随时间的增加不断增大的趋势，整个过程巷道顶底板和两帮移近量最大值分别为56mm和86mm，支护方案可行，保证矿井的安全回采。关键词：高应力；围岩变形；数值模拟；支护方案；模拟实验中图分类号：TD322 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0108-031概述随着，矿井采掘深度的不断增加，地质结构相对简单，埋深较浅的煤层已经逐步开采完毕，煤矿的开采重点逐步向着深部煤层进行转移。在深部煤层开采过程中，众多问题制约着矿井的高效开采，由于巷道处于高应力范围，所以使得巷道围岩的应力环境十分恶劣，所以巷道变形问题日益严重，所以针对高应力巷道围岩变形进行研究十分必要。此前众多学者对高应力巷道围岩稳定性进行过一定的研究1，但由于不同巷道的埋深及应力环境大不相同，因此无法一概而论，所以本文以申南凹矿为研究背景，利用数值模拟软件对巷道围岩变形进行一定的研究，并给出巷道支护方案，为矿井高效开采提供一定的参考2。2矿井概况及数值模拟研究2.1矿井概况申南凹矿位于山西省乡宁县管头镇宋家沟村，井田面积为8.12km2，生产能力为120104t/a，批准开采1#10#煤层，矿井工业储量4266104t,设计可采储量2450104t，服务年限14.6年，现采2#煤层。20108工作面位于二采区西翼，西部为已回采的20106工作面，工作面东部为已回采20103工作面，工作面为孤岛工作面。巷道底板标高为-1515-1590m，工作面距离地面深度高达670760m。工作面目前主采2#煤层，煤层硬度小、易破碎，煤层厚度为4.325.44m，煤层平均厚度为4.2m，煤层近似水平，直接顶为砂质泥岩，砂质泥岩厚度为7.36m；巷道老顶为中粒砂岩，局部直接底为砂质泥岩。目前3204工作面顺槽采用架棚支护方案，设定棚距为700mm50mm，在巷道的顶板及两帮布设冷拔丝菱形网，目前顺槽变形较为严重，威胁着工作面正常开采，所以需要对巷道大变形进行治理3。2.2数值模拟研究利用数值模拟软件对不同支护参数下巷道围岩变形进行分析，确定巷道的支护优化方案，首先进行模型的建立，根据矿井实际情况建立模型长高=52m33m的模型，对模型进行网格划分，划分完成后模型单元共有75480个单元和85324个节点。设置巷道的断面形状为半圆拱形，断面尺寸为直墙高1.8m，圆拱半径为2.9m。对模型进行边界条件设置，在模型底面施加垂直方向固定约束，左右面施加X方向的固定约束，在模型的上表面施加覆岩的自重，施加均布荷载22MPa，对不同支护条件下的巷道变形量进行分析，首先对不同锚杆直径下的围岩变形进行分析，不同直径锚杆下围岩变形曲线如图1所示。从图1可以看出，随着锚杆直径的增大，此时巷道围岩变形呈现逐步减小的趋势，此时巷道的顶板底板变形量和两帮移近量均有大幅度降低，但随着锚杆直径的持续增加，巷道变形量的下降趋势逐步减弱，所以一味的降低锚杆直径并无法线性降低巷道变形量。当1082023年第2期西部探矿工程锚杆杆体直径由16mm增加到22mm时，此时的巷道两帮、巷道顶板及底板变形量分别下降幅度为24.57%、27.10%、19.40%。当杆体直径增加到24mm时，此时巷道两帮、顶底板变形量较锚杆直径22mm时分别减少了 11.88%、14.8%、12.68%。同时随着锚杆直径的增大，此时锚固段和粘结刚度均呈现增大趋势，锚杆控制巷道围岩变形效果较好，但锚杆直径合适即可，不能不合理加粗，避免浪费成本4。首先对不同锚杆间距下的围岩变形进行分析，不同锚杆间距下围岩变形曲线如图2所示。从图2可以看出，随着锚杆间距的不断增加，此时对巷道的支护效果呈现逐步减弱的趋势。此时无论顶板、两帮的变形量均有了较大幅度的增大，当锚杆间距为800mm时，此时相比较间距700mm时顶板、底鼓量及两帮移近量分别减小到166.8mm、471.2mm、388.7mm，减小幅度为32.90%、8.98%和9.18%。而间距700mm对比锚杆间距600mm顶板、底鼓量及两帮移近量分别减小到150.3mm、454.6mm、372.8mm，分别减小了9.89%、3.52%、4.09%。所以当锚杆间距减小到700mm时，继续减小锚杆的间距就无法得到巷道围岩变形量的稳定减小，所以最佳的锚杆间距为700mm5-6。3支护设计及工业化试验3.1支护方案设计根据模拟结果对巷道支护方案进行优化，首先在巷道的两帮及顶板均采用尺寸为22mm2400mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护，锚杆的间排距为0.7m0.8m，设定锚杆钻孔直径为28mm，每支锚杆采用两卷Z2350树脂锚固剂进行锚固，设定锚杆的预紧力为60kN。在巷道的底板打入底角锚杆，底角锚杆与底板夹角为45。同时采用锚索进行支护，锚索尺寸为17.8mm6500mm钢绞线，每支锚索采用四卷Z2850树脂锚固剂锚固，锚索预紧力设定为100kN7-8。3.2工业化试验对支护后的巷道进行变形监测，设定三个测站，分别对顶底板及两帮移近量进行监测，监测曲线如图3所示。从图3可以看出，巷道围岩表面顶板底板及两帮变形量均呈现出随时间的增加不断增大的趋势，观测发现，巷道围岩变形速率在掘巷15d内时较大，计算巷道顶底板及两帮移近量的变形速率可以得出，两者变形速率分别达到2.3mm/d、3.0mm/d。当巷道掘巷大约图1不同直径锚杆下围岩变形曲线图2不同锚杆间距下围岩变形曲线图3巷道顶底板及两帮移近量曲线35d时，此时的巷道围岩变形量逐步趋于平缓，在此阶段内巷道围岩变形速度不大，顶底板和两帮变形量分别达到1.7mm/d、2.3mm/d。而当掘巷50d后，此时巷道围岩变形量几乎不会发生较大的变形，此时巷道围1092023年第2期西部探矿工程岩逐步区域稳定。整个过程巷道顶底板和两帮移近量最大值分别为56mm和86mm，整体巷道变形量处于可控范围，所以支护方案可行9-10。4结论（1）利用数值模拟软件对不同锚杆直径下巷道围岩变形量进行分析，发现随着锚杆直径的增大，此时巷道围岩变形呈现逐步减小的趋势，此时巷道的顶板底板变形量和两帮移近量均有大幅度降低。（2）利用数值模拟软件对不同锚杆间距下巷道围岩变形量进行分析，随着锚杆间距的不断增加，此时对巷道的支护效果逐步减弱的趋势，最终确定最佳锚杆间距为700mm。（3）对设计的支护方案进行验证，发现巷道围岩表面顶板底板及两帮变形量均呈现出随时间的增加不断增大的趋势，整个过程巷道顶底板和两帮移近量最大值分别为56mm和86mm，支护方案可行。参考文献：1郭子源,赵国彦,彭康.深部高应力软岩巷道开挖与支护围岩变形的FLAC3D模拟J.矿冶工程,2012,32(2).2刘高,聂德新,韩文峰.高应力软岩巷道围岩变形破坏研究J.岩石力学与工程学报,2000,19(6).3李永春.高应力巷道围岩变形机理及控制技术研究J.山西煤炭,2011,31(6).4陈晓祥,杨凯凯,徐仪昌,等.高应力回采巷道围岩变形特征及协调支护技术研究J.河南理工大学学报:自然科学版,2012,31(4).5王雷,王琦,黄玉兵,等.深部高应力穿层巷道变形机制及支护技术研究J.采矿与安全工程学报,2019,36(1).6黄玉东,付振江,付玉斌.深井高应力巷道围岩变形及控制技术研究J.中州煤炭,2019,41(10):181-186.7赵希栋,贾后省,刘洪涛,等.深井高应力巷道围岩变形特征及控制对策研究J.煤矿开采,2013,18(5).8黄玉东,付振江,付玉斌.深井高应力巷道围岩变形及控制技术研究J.能源与环保,2019,41(10).9王涛,张乾龙,薛鹏,等.高应力巷道围岩变形破坏机理及结构补偿支护技术研究J.能源技术与管理,2018,43(6).10余伟健,高谦.高应力巷道围岩综合控制技术及应用研究J.煤炭科学技术,2010(2).（上接第107页）苏云河超大型钨钼矿床、包古图大型铜矿床等。与西邻区哈萨克斯坦境内的科翁腊德（Kounrad）、阿可斗卡（Aktogoy）等多处超大型、大型斑岩型铜矿床具有可对比性。对哈萨克斯坦西准噶尔斑岩铜矿成矿作用的统一系统研究，有助于对中亚世界级斑岩铜矿带的形成机制提出新的认识，对新疆斑岩铜矿进一步找矿部署具有重要意义。西准噶尔是新疆金矿产地分布数量最多的成矿带，分布有金矿产地237处。然而，区内仅发现有1处大型金矿床（齐）、4处中型矿床，绝大多数为小型矿床及矿点。目前，对于金矿的评价，缺乏针对区内大型剪切变形带对矿脉群的控制研究，需要对本矿带大型变形构造控矿特征开展系统研究，分析大型变形构造与金成矿的关系，总结金矿赋矿构造部位以及水平、纵向品位变化规律，对区内大量发育的石英脉群进行整体评价，以实现找矿的突破。参考文献：1冯京,朱志新,赵同阳,等.新疆大地构造单元划分及成矿作用J.中国地质,2022,49(4):1154-1178.2陈宣华,聂兰仕,丁伟翠,等.西准噶尔走滑断裂系元素分布特征及其成矿意义J.岩石学报,2015,31(2):371-387.3申萍,沈远超.西准噶尔与环巴尔喀什斑岩型铜矿床成矿条件及成矿模式对比研究J.岩石学报,2010,26(8):2299-2316.4钟世华,申萍,潘鸿迪,等.新疆西准噶尔苏云河钼矿床含矿岩体地球化学和年代学J.矿床地质,2015,34(1):39-62.5魏少妮,朱永峰,安芳.新疆包古图地区斑岩型铜矿化特征和成矿元素迁移规律初探J.矿床地质,2014,33(1):165-180.6鲍佩声,王希斌,郝梓国,等.对富铝型豆荚状铬铁矿矿床成因的新认识以新疆萨尔托海铬铁矿矿床为例J.矿床地质,1990,9(2):97-111.7田江涛,赵威,任燕.初论新疆多元素富集区及找矿方向J.新疆地质,2021(2):82-88.110