煤礦圍巖變形特征與支護(hù)技術(shù)研究

　　在我國(guó)煤炭資源的開采過(guò)程中巷道支護(hù)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著當(dāng)前煤炭資源開采深度的不斷增加，巷道支護(hù)對(duì)于煤炭資源采掘工作的安全性會(huì)產(chǎn)生巨大影響，在此情況下，如何實(shí)現(xiàn)煤礦巷道的合理支護(hù)加固是目前整個(gè)煤炭領(lǐng)域主要探討的問(wèn)題之一。在針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行探討的過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)規(guī)范化以及有限元數(shù)值模擬方法是應(yīng)用最為廣泛的兩種方法。由于煤炭資源本身地質(zhì)條件非常復(fù)雜，在煤炭開采過(guò)程中支護(hù)以及監(jiān)測(cè)等方面的投入非常有限，利用經(jīng)驗(yàn)規(guī)范法會(huì)對(duì)實(shí)際開采數(shù)據(jù)提出更高要求。鑒于此，主要使用了數(shù)字模擬分析方法，通過(guò)建立起煤礦巷道圍巖的有限元模型，對(duì)煤礦巷道應(yīng)力分布狀況以及實(shí)際位移情況展開分析，這樣就能夠?yàn)槊旱V的支護(hù)加固提供技術(shù)性參考。
　　1 煤礦巷道圍巖數(shù)值模擬
　　1.1 建立有限元模型
　　以某煤礦為例來(lái)建立起沿空留巷模型，該煤礦煤層厚度達(dá)到了1.5m，煤層整體傾角為16°，煤層整體深度達(dá)到了680m。充分利用ANSYS16軟件建立起該煤礦采煤巷道圍巖的有限元模型。下圖1所示為該煤礦采煤巷道圍巖的幾何模型。通過(guò)水力致裂實(shí)驗(yàn)對(duì)該煤礦的原始地應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，并充分利用最終的測(cè)量結(jié)果來(lái)計(jì)算出數(shù)字模擬的力學(xué)邊界條件。根據(jù)實(shí)際煤層的狀況將該煤礦模型的單元設(shè)置為0.1m，在此基礎(chǔ)上就形成了40萬(wàn)個(gè)有效的計(jì)算節(jié)點(diǎn)［1］。而針對(duì)裂隙模型，主要利用的是引進(jìn)國(guó)外的斷裂過(guò)程帶模型來(lái)進(jìn)行分析。
　　
　　圖1 煤礦巷道圍巖幾何模型及破裂帶模型
　　為了能夠?qū)γ禾坎删虻木唧w進(jìn)度進(jìn)行充分模擬，針對(duì)采煤巷道的開挖主要使用的是單元生死技術(shù)來(lái)進(jìn)行模擬。針對(duì)每一個(gè)單元開挖設(shè)置的尺寸是2m，而模擬結(jié)果觀測(cè)點(diǎn)的主要是設(shè)置在煤層開采面前部10m的位置。在經(jīng)過(guò)50次左右的挖掘之后，最終獲得的工作面整體長(zhǎng)度達(dá)到了100m［2］。
　　1.2 應(yīng)力分布及位移模擬結(jié)果分析
　　將ANSYS處理后的結(jié)果取出之后，就能夠得到巷道圍巖的頂板、底鼓以及煤幫等幾個(gè)位置實(shí)際產(chǎn)生的變形量，在針對(duì)上述幾個(gè)位置的實(shí)際變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后就能夠最終得出工作面與位移之間的距離關(guān)系，如下圖2所示。通過(guò)對(duì)工作面與位移距離關(guān)系進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，煤層頂板位置實(shí)際發(fā)生的最大位移達(dá)到了200mm，而煤層底板實(shí)際發(fā)生的最大位移達(dá)到了295mm。由此可以發(fā)現(xiàn)，工作面以及位移的頂板回轉(zhuǎn)變形最終導(dǎo)致的變形量差值大約為20mm左右。
　　
　　圖2 巷道圍巖變形與共工作面距離關(guān)系
　　在此基礎(chǔ)上，還能夠精確的得到應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)際計(jì)算結(jié)果。由此就可以知道，當(dāng)煤礦的工作面而距離在逐漸縮短的過(guò)程中，頂板上應(yīng)力實(shí)際產(chǎn)生的豎直方向的應(yīng)力分量趨勢(shì)非常明顯，在工作面距離不斷縮短的過(guò)程中，應(yīng)力也在逐漸增大，但是隨著工作面的不斷推進(jìn)最終在1.5MPa趨于了穩(wěn)定狀態(tài)。不過(guò)在具體的研究過(guò)程中還需要對(duì)其他因素進(jìn)行考慮，則附加應(yīng)力會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，甚至在一些條件下邊界條件的設(shè)置也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生作用，而這兩種因素的具體影響還有待開展進(jìn)一步深入的研究。
　　2 煤層巷道支護(hù)加固技術(shù)分析
　　充分結(jié)合上述過(guò)程利用數(shù)值模擬分析方法對(duì)煤層應(yīng)力分布狀況以及具體變形狀況進(jìn)行分析，并充分結(jié)合目前整個(gè)煤炭領(lǐng)域主要使用的基本支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)以及巷外支護(hù)等幾種主要的支護(hù)加固方式［3］，在巷道開發(fā)工作完成之后，必須要充分利用高強(qiáng)度的錨桿以及錨索針對(duì)巷道進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)施工，在此情況下才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頂板以及底板應(yīng)力分布狀況以及實(shí)際變形量的最佳控制，讓其能夠始終處在安全合理的范圍之內(nèi)。針對(duì)這種情況充分應(yīng)用綜合支護(hù)手段就能夠讓煤礦巖體因?yàn)榇嬖谄扑楝F(xiàn)象而導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行有效的消散，這樣就能夠進(jìn)一步提升煤層中煤幫的穩(wěn)定性。
　　3 結(jié)語(yǔ)
　　在本文的研究過(guò)程中充分利用數(shù)值模擬方法針對(duì)煤層圍巖的變形特征進(jìn)行了深入的分析，通過(guò)建立起有效的煤層有限元模型，將煤層巷道圍巖的具體變形特征以及應(yīng)力的實(shí)際分布狀況進(jìn)行了界定。隨后針對(duì)綜合支護(hù)方案進(jìn)行了探討，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂板以及地板變形量以及實(shí)際應(yīng)力分布狀態(tài)的有效控制。并針對(duì)煤層巷道的支護(hù)進(jìn)行了進(jìn)一步提出了一些合理的優(yōu)化建議，為我國(guó)煤礦巷道支護(hù)加固技術(shù)的研究提供了必要的基礎(chǔ)和技術(shù)性的參考。