野川煤业回风大巷围岩稳定性埋深效应研究

赵 雷

(山西煤炭运销集团 野川煤业有限公司，山西 高平 048400)

在我国，巷道支护技术经过多年的发展已经变得相对成熟，根据不同的地质条件，相关学者提出了巷道支护悬吊理论、组合梁理论、挤压加固拱理论、松动圈支护理论等，在这些理论的指导下，涌现出来诸多支护形式，对矿井巷道围岩稳定性控制起到了一定的作用[1-3]。但是，随着煤层开采逐渐向深部转移，个别矿井开采煤层埋深已经超过了千米，在实际生产过程中围岩支护遇到诸多困难，且众多理论并没有考虑煤层埋深的影响因素。本文以山西煤炭运销集团野川煤业有限公司3号煤层回风大巷为背景，通过运用巷道围岩稳定性分类、数值模拟确定了科学的支护形式，并分析了埋深效应对巷道围岩稳定性的影响。

1 工程概况

山西煤炭运销集团野川煤业有限公司位于山西省高平市，矿井主采3号煤层，煤层埋深150～300 m，煤层厚度2.72～6.30 m，平均厚度5.0 m，含0～1层夹矸，结构简单。煤层直接顶为砂质泥岩，平均厚度3.78 m，抗压强度27.17 MPa，基本顶为细粒砂岩，平均厚度11.56 m，抗压强度53.33 MPa；直接底为泥岩，平均厚度1.2 m，抗压强度21.15 MPa。3号煤层回风大巷为矩形断面，尺寸为宽×高=4.3 m×4.0 m。

2 巷道支护方案的确定

根据我国采准巷道围岩稳定性分类方法[4-5]，3号煤层回风大巷为Ⅳ类不稳定巷道，因此支护的基本形式采用 “锚杆+锚索+金属网+喷浆”。由于3号煤层没有伪顶，顶板支护主要起悬吊作用，因此顶板锚杆采用直径为20 mm、长度为2 400 mm的锚杆，排距2 000 mm，间距975 mm，边锚杆距巷帮200 mm，向巷帮侧倾斜20°；锚索采用直径为17.8 mm、长度6 200 mm的钢绞线，间距1 950 mm，排距2 000 mm。帮锚杆采用直径为20 mm、长度2 400 mm的锚杆，排距2 000 mm，间距900 mm，上部锚杆距顶板200 mm，并向上倾斜20°。巷道顶板及两帮铺设网孔为40 mm×40 mm的菱形金属网，巷道表面喷浆厚度120 mm。3号煤层回风大巷支护设计如图1所示。

图1 3号煤层回风大巷支护设计(mm)

3 数值模拟

3.1 数值模型的建立

根据野川煤业3号煤层回风大巷地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立模型，回风大巷沿3号煤层顶板掘进，宽4.3 m，左右两侧各留设30 m煤柱，模拟工作面宽度30 m，推进长度为100 m，3号煤厚5.0 m，顶板53.8 m，底板12.2 m，则模型高度为71 m。建立的模型尺寸为164.3 m×30 m×71 m，如图2所示。模型网格划分为0.5 m×0.5 m，四周分别施加固定约束、位移边界，模型上部加载均布载荷。模拟分析埋深在150 m、200 m、250 m和300 m四种情况下的巷道围岩稳定性。

图2 数值模型简图

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 巷道围岩破坏的埋深效应

图3为不同埋深条件下回风大巷围岩屈服破坏特征。从图3可以看出，埋深150 m时，顶板两顶角处破坏深度为1 m，其余部分破坏深度为0.5 m，两帮靠近两角位置破坏深度为1 m，其余部分破坏深度为0.5 m，底板破坏深度为1.5 m，锚索最大轴力200 kN，破坏呈对称分布；埋深200 m时，顶板破坏深度为1 m，两帮靠近两角位置破坏深度1 m，中部破坏深度0.5 m，底板中部破坏深度为2 m，其余部分破坏深度为1.5 m，锚索最大轴力为263.1 kN；埋深250 m时，顶板中部破坏深度为2 m，其余部分破坏深度为1.5 m，两帮两顶角破坏深度1.5 m，其余部分破坏深度为1 m，底板破坏深度为2 m，锚索最大轴力358.9 kN；埋深300 m时，顶板中部破坏深度为2 m，其余部分破坏深度为1.5 m，两帮两顶角破坏深度1.5 m，其余部分破坏深度为1 m，底板破坏深度为2 m，锚索最大轴力357.1 kN，破坏呈对称分布。由此得出，屈服破坏范围、锚索的最大轴力随埋深的增加而增加。因此在支护设计中，针对不同埋深对锚杆长度、直径应适当增加，以控制巷道变形破坏。

图3 不同埋深条件下3号煤层回风大巷屈服破坏

3.2.2 巷道围岩应力的埋深效应

图4为回风大巷在不同埋深条件下垂直应力分布曲线。从图4可以看出，巷道两帮垂直应力基本呈耳状对称分布，巷道两帮在距离巷道中心线5 m附近的煤体内形成应力峰值，并随距巷道中心线距离的增加而逐渐减小，最终趋于稳定。垂直应力随埋深的增加而增加，应力峰值位置随埋深的增加，向两帮深部延伸。

图4 不同埋深条件下3号煤层回风大巷垂直应力分布曲线

图5为回风大巷在不同埋深条件下水平应力分布云图。由图5可知，巷道周围应力呈蝶状分布，其中顶底板水平应力大于两帮应力。顶板应力核出现在两顶角处，随着埋深增加顶板水平应力呈拱形逐渐向上扩散；底板应力核出现在底板中部位置，随着埋深增加，拱形向底板深处转移；两帮中部出现了应力集中，随埋深的增加，应力逐渐增大。因此，在巷道支护过程中，随着埋深的逐渐增加，要强化巷道支护锚杆强度，防止因巷道水平应力增加而造成锚杆出现损伤破坏，造成围岩变形量增加。

图5 不同埋深条件下3号煤层回风大巷水平应力分布云图

3.2.3 巷道围岩移近量的埋深效应

图6为不同埋深条件下，巷道围岩移近量的变化趋势。从图6可以看出，巷道顶底板、两帮移近量随埋深的增加逐渐增加，埋深150 m时顶底板移近量为24.06 mm，埋深300 m时增加到56.94 mm，增加了1.37倍；埋深150 m时两帮移近量为38.68 mm，埋深300时增加到81.78 mm，增加了1.11倍。

图6 不同埋深条件3号煤层回风大巷围岩移近量变形曲线

4 结 语

1) 随着埋深的增加，巷道围岩屈服破坏范围增加，锚索轴力增加。因此在巷道支护设计中要针对不同埋深适当增加锚杆长度和直径，以控制巷道变形破坏。

2) 随着埋深增加，巷道垂直应力向两帮深部延伸，且应力峰值在增加。巷道水平应力随埋深增加在顶底板深处扩散，两帮应力值在增加。因此，在巷道支护过程中，随着埋深的逐渐增加，要强化巷道支护锚杆强度，防止因巷道水平应力增加而造成锚杆出现损伤破坏，造成围岩变形量增加。

3) 随埋深增加，巷道围岩移近量逐渐增大，在埋深300 m时巷道顶底板移近量比埋深150 m时增加了1.37倍，两帮移近量增加了1.11倍。