深部矿井回采巷道围岩变形破坏机理与控制技术研究

2021-03-27周俊

山西冶金 2021年1期

周俊

（西山煤电集团有限公司镇城底矿，山西古交 030200）

随着埋深较浅的煤炭资源的枯竭，煤炭资源的采掘不断向深部延伸。在开采深部煤层时，由于埋深大使得巷道的围岩变形严重，巷道的顶板及底鼓量均大于浅埋深巷道，导致巷道的稳定性受到危害，所以对深部巷道进行围岩的支护十分必要。释压支护技术是针对深部巷道围岩变形的一种支护手段，众多学者对释压支护技术进行过研究，本文通过数值模拟软件结合理论分析的研究手段对释压材料支护技术进行研究，为释压支护技术在深部巷道的实施提供借鉴，为矿井地质条件相类似的矿井巷道围岩控制提供参考有借鉴[1]。

1 深部巷道释压支护技术研究

镇城底矿井田位于西山煤田的西北边缘，地处古交市西北，汾河沿井田北部穿过，距古交市11 km，太佳公路、太岚铁路横贯矿区，交通便利。矿井1983年元月开工建设，1986年11月投产。矿井原年设计生产能力150万t/a，2008年，核定生产能力为190万t/a。矿区总面积23.8 km2，矿井开拓布置采用一对斜井单水平开拓，主运输水平标高为+760 m，在+820 m设一个辅助运输水平，主采2号、3号和8号煤层。

在深部巷道开采时，巷道由三向稳定原岩应力转化为二向应力状态，此时巷道围岩极容易发生应力集中，所以必须及时释压及支护来保证巷道的稳定性，在进行支护时，仅通过增大支护体的刚度来提升支护效果的措施是不可行的，所以释压支护技术的优越性得到了展示，如图1为释压支护模型。

图1 释压支护模型示意图

如图1所示，释压支护是通过合理的支护结构围岩-释压材料-刚性支架进行支护，通过释压材料使得围岩的应力得到一定的释放，使得围岩中的应力环境得到一定的改善，从而降低围岩的支护强度，围岩在开挖过程中的能量通过释压材料的压缩变形得到一定的缩减，但并不会使得能量得到完全的消失，所以继而通过钢体支架对围岩进行支护，使得巷道的稳定性得到控制，保证矿山开采安全[2]。在选定释压材料是需要考虑其一定的属性。强度特性，在围岩的应力未达到一定的强度之前，释压材料必须保证其完整性，避免发生提前的破坏，且释压材料的强度不得过高，释压材料的强度较大时，岩石案发生破坏，释压材料并未有效卸压，所以需要合理的匹配两者的强度；具有连续变形能力，由于合理的释压过程是缓慢进行的，所以需要释压材料具有一定的连续变形能力，使得围岩的变形得到逐步的释放，起到缓冲作用；经济效益，由于在进行现场支护时所需的材料较多，消耗量也较大，所以保证其价格的低廉可以有效的提升矿山的经济效益。

2 释压支护数值模拟研究

目前的释压材料主要可以分为木质材料、石质材料、金属材料及有机化工材料。木质材料具有刚度及强度且具有一定的连续变形能力，所以可以作为释压材料；石质材料由于天然的孔隙使其具有一定的连续变形能力；金属材料是指泡沫类金属，有机化工材料是一些中空塑料管材[3]。利用释压材料对巷道的支护效果进行分析，首先进行模型的建立，模型的长宽高分别为24 m、1 m和20 m，首先对模型进行网格划分，在进行网格划分时尽量在合理的方式下减小网格的密度以加快计算的速度，完成网格划分后，对模型的约束进行设置，固定左右边界的X方向位移，固定模型下端的Z方向位移，由于巷道的埋深为570 m，所以在模型的顶部施加15 MPa的垂直应力。完成约束及应力设置后对模型的属性进行设置，根据实际地质情况对模型进行属性设置，并在巷道的周边设置释压材料，释压材料选择为置孔释压材料、松木释压材料及泡沫铝释压材料。分别对三种材料下巷道的塑性区、垂直应力及位移变形进行模拟研究，三种材料塑性区云图如2所示。

图2 三种释压材料围岩塑性分布云图

如图2三种释压材料围岩塑性分布云图可以看出，无论哪种释压材料，巷道的围岩的变形均含有张拉破坏和剪切破坏，且在巷道的顶板位置中部存在一定的张拉破坏区域，而剪切破坏主要集中在巷道的底板及两帮部位。观察图2-1泡沫铝释压材料塑性云图可以看出，此时巷道区域较大，巷道的围岩变形严重，围岩的主要破坏形式主要为剪切破坏，底板的破坏从张拉破坏逐步向着剪切破坏转化，破坏的范围超过了锚杆的锚固区域，巷道稳定性较差，这是由于泡沫铝材料强度较低，虽然变形得到了一定的控制，但不能对围岩的变形得到较好的限制，造成围岩变形大的问题。当释压材料选定为松木材料时，此时的巷道围岩塑性变性区较泡沫铝材料时有了一定的减小，围岩的剪切破坏及拉伸破坏都有所减小，在巷道的底板附近围岩的变形仍较大，可以看出相比较而言支护效果较泡沫铝材料较好，这是由于在巷道变形的初期，木质材料对围岩进行一定支撑，但由于其释压空间存在一定的限制，所以在释压材料发生变形后，围岩的变形仍在继续，巷道破坏仍较大。当选用置孔释压材料时，围岩的塑性变形区域较前两种有了明显的减小，围岩的破坏得到了有效的控制，巷道稳定性得到较好的改善，这是由于在围岩变形前期置孔释压材料起到一定的支撑作用，同时由于材料存在一定的孔，所以在压缩破坏后仍存在释压空间，所以效果较好[4]。所以置孔释压材料可有有效地减小巷道底角及两帮的破坏，达到维护巷道的目的。

对三种材料的围岩应力状态进行分析，应力云图如3所示。

图3 三种释压材料围岩垂直应力（Pa）分布云图

从图3可以看出，在巷道的底板中部、巷道顶板中部及巷道两帮位置均出现应力集中现象，应力云图呈现对称分布的情况，泡沫铝释压材料支护下，巷道围岩的应力集中主要在底板中部及底板两底角区域，最大的垂直应力达到38.5 MPa，应力集中区域面积较大，巷道稳定性较差。当选定松木释压材料时，此时的应力集中部位与泡沫铝释压材料几乎类似，围岩的垂直应力有了一定的降低，最大垂直应力为31.6 MPa，巷道稳定性得到一定的改善。当选用置孔释压材料时，巷道围岩应力集中区域最小，底板的垂直应力最大值为21.6 MPa，较前两种材料有了明显的降低，所以置孔释压材料对围岩应力的改善效果最佳[5]。

对三种材料的位移变形进行分析，应力变形云图如4所示。

图4 三种释压材料位移变形分布云图

对比三种释压材料下巷道的围岩变形情况可以看出，在巷道开挖时，围岩的变形主要集中在巷道的底角及巷道的两帮位置，同时在巷道的顶板及底板位置出现大变形，当选用泡沫铝释压材料时，巷道围岩变形量较大，巷道稳定性较差，当选用松木释压材料时，巷道的围岩变形量较泡沫铝释压材料有了一定的提升，支护效果最佳的释压材料为置孔材料，此时巷道变形量最小。