郭海明

（晋能控股煤业集团四明山煤矿，山西 晋城 048400）

回采巷支护措施不当，后期变形严重甚至垮塌，导致通风不畅、运输受阻，会严重影响矿井安全生产及生产效率。影响回采巷支护的主要因素为地质原因，当巷道掘进通过断层、褶皱等构造时，围岩破碎严重，如果不进行支护措施优化，极易导致巷道局部变形严重。四明山煤矿9111 工作面运输巷掘进过程中遇到F2 断层，围岩破碎严重，采用原设计支护施工过程中，出现锚杆底部着力点失稳、围岩变形严重、底鼓严重的现象。为解决以上问题，采用COMSOL 软件对区域围岩进行模拟[1-8]，制定巷道支护优化措施，进行后期效果考察研究。

1 概况

山西晋煤集团四明山煤矿为低瓦斯矿井，核定产能为120 万t/a，矿井采用斜井开拓，采用综合机械化开采。矿井主采煤层为9#煤层，平均厚度1.45 m。煤层顶板为砂质泥岩，平均厚度3.25 m；底板为泥岩，平均厚度1.12 m。煤层倾角2°～6°。备采面9111 工作面走向长度1227 m，切眼长度200 m。9111 运输顺槽设计断面为矩形断面，断面尺寸：净宽×净高=4500 mm×2500 mm（毛宽×毛高=4700 mm×2600 mm），S净=11.25 m2（S掘=12.22 m2），采用锚杆支护方式。支护设计图如图1。支护完成后安装LBY-3T 型顶板离层仪观测顶板。

图1 9111 运输巷支护措施

2 围岩数值模拟研究

9111 运输顺槽通过F2 断层位置，顶板破碎严重，对该区域顶板、底板、两帮进行岩心取样，进行围岩基本参数测定及破坏性试验研究。对围岩加载100 MPa 的载荷，持续加载5 h，得到围岩变化效果图如图2，测得围岩基本参数见表1。

图2 破坏性试验研究效果图

根据竖向加载荷试验结果显示，当围岩承受100 MPa 的应力时，围岩产生的裂纹主要为竖向裂纹，竖向裂纹延伸至整个断面。

根据9111 运输巷断面设计和支护措施进行数值模拟研究，采用软件COMSOL 进行模拟运算，模拟参数如表1 所示。

表1 模拟参数表

根据测试，9111 运输巷顶板承受的应力为100 MPa，模拟过程为瞬态过程，模拟时间长度为15 d，步长为1 d。模拟得出9111 运输顺槽断面应力3 d、15 d 时围岩应力分布云图如图3。

由图3 可知，9111 运输顺槽在第3 天时顶板应力主要分布在终端，应变范围为顶板上方1.5 m，承受最大应力为9×107Pa；第15 天时，顶板应力竖向范围增大到3.5 m，顶板承受的最大应力为1×108Pa。目前支护措施承受的极限载荷为0.35 MPa，顶板在第15 天左右将出现大面积垮落。

图3 9111 运输顺槽围岩应力分布演化图

综合分析试验研究和模拟研究成果可知，导致巷道围岩垮落的主要因素为竖向应力，竖向应力对围岩所产生的剪切力会产生蠕变裂纹，随着应力载荷持续增加，蠕变裂纹形成裂隙，最终分层垮落。

3 支护措施优化

根据数值模拟研究成果可知，目前支护措施无法满足巷道支护要求，需制定加固措施。9111 运输顺槽支护措施主要支撑竖向应力，因此需要增加竖向锚杆、进行锚网支护、顶板进行工字钢加固。锚杆采用Φ20 mm×2400 mm 的钢制锚杆，锚网采用20 mm×20 mm 的钢制锚网，喷浆所使用的浆液为水泥浆，水灰比为1:1.6，加速凝剂。顶板锚杆增加了2 根，工字钢选用20a 型号工字钢进行支护，工字钢支护排间距为1 m。优化后的支护措施如图4。

图4 优化后的支护措施

优化后的支护措施增加了竖向支撑力，同时提高了巷道断面支护措施的整体性。根据等比例试验结果显示，该支护措施能够承受2×108Pa 的竖向应力载荷，可以满足该区域支护要求。

4 效果考察

优化后的支护措施施工完成后，随即进行后期效果考察。考察采用LBY-3T 型顶板离层仪进行观测，观测周期为1 d。通过观测优化后支护区域的顶板位移量，对观测数据进行统计分析，统计结果如图5。

图5 优化措施顶板位移量

根据图5 可知，优化支护措施后，15 d 时顶板深部位移量达到最大值，最大值为74 mm，浅部在第15 天时位移量达到最大值，最大值为30 mm。位移量整体变形较小，现场观测未出现顶板垮落、变形严重现象。

5 结语

采用COSOL 软件对9111 运输顺槽断面围岩进行数值模拟研究，分析了断面应力演化规律，制定了支护措施，进行了效果考察，得到以下结论：

（1） 矩形支护措施顶板15 d 承受最大应力为1×108Pa，位移变形竖向区域为3.5 m。

（2） 优化支护措施主要为增加竖向锚杆数量，进行工字钢加固。

（3） 优化支护措施后，顶板深部最大位移量为74 mm，浅部最大位移量为30 mm。

研究结果显示，优化后的支护措施完全可以满足该区域支护要求。