軟煤硬頂的大斷面煤巷變形破壞機理及控制研究

李 慧

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

王家莊煤礦為改擴建礦井，正在開拓15號煤層，頂板為K2石灰巖的堅硬頂板，煤質軟，巷道形成20 d后就產生片幫，2月后片幫更加嚴重，經分析，軟煤堅硬頂板是工程建設的主要問題。堅硬頂板具有節理裂隙不發育、整體性好、強度高、厚度大等特點，其礦壓顯現較其它頂板更為強烈，是長期以來困擾采礦界的一大難題。由于頂板堅硬、煤質軟，巷道開挖后形成“簡支梁”結構，易造成煤壁片幫或整體下沉。本文以王家莊煤礦150101運輸順槽為例，研究軟煤堅硬頂板大斷面煤層巷道的變形破壞機理，提出了合理的巷道支護方式及支護參數，能為煤礦安全生產提供科學依據。

1 礦業工程地質概況

王家煤礦15號煤層厚4.15～5.03 m、平均4.32 m，傾角5～9°，平均埋深206m，結構簡單，含1層夾矸。頂板為K2石灰巖，厚度為5.60～9.50m、平均7.45 m，穩固性好。底板為泥巖或粉砂質泥巖，厚10.30～15.70m、平均12.90m。巷道沿煤層頂板掘進、全煤巷布置，矩形斷面，凈寬4.4m，凈高4.3m，凈斷面積18.92m2，錨網支護。采用φ18mm×2000mm型全螺紋鋼等強錨桿，頂錨桿間排距2000mm×1000mm；幫錨桿間排距900mm×900mm。巷道掘進期間，兩幫變形較大、片幫嚴重；若進入回采期間，由于受超前支承壓力的影響及應力場的重新分布，破壞程度可能會加劇，因此需加強巷道管理與支護。

2 變形破壞機理分析

2.1 變形破壞數值模型的建立

根據15號煤層賦存條件及圍巖特性，采用離散元分析軟件UDEC建立數值計算模型見圖1，模型左、右邊界為鉸支，底部固支，上部為自由面，按所受覆巖的垂直應力計算。煤、巖物理力學特性，根據實驗室測試結果取其平均值，如表1所示。

圖1 數值計算模型

表1 煤、巖物理力學性能表

2.2 變形破壞數值模擬的分析

巷道開挖后，在無任何材料支護的情況下，其圍巖變形破壞及應力分布，見圖2。根據圖2結果分析看出：

圖2 無支護時的圍巖變形破壞及應力分布圖

1）巷道變形破壞范圍大。主要發生在巷道兩幫、兩幫與底板交匯處，尤其兩幫較為嚴重，甚至發生整體性的片幫，頂板破壞程度很小。巷道變形破壞先從兩幫開始，接著發生底臌，但對頂板影響不大。

2）兩幫變形量大于頂板變形量。兩幫最大變形量達130 mm，頂板變形量僅6 mm，說明頂板完整性好、兩幫受載大，形成“簡支梁”承載結構。由于煤質軟，承載能力有限，導致兩幫變形，隨著頂板與覆巖的運移及應力場的重新分布，將會引起兩幫變形破壞加大，甚至整體下沉。

3）應力較集中。圍巖應力主要集中于巷道兩幫與頂、底板的交匯處，最大水平應力10 MPa，最大垂直應力8MPa，最大剪應力15MPa。

結合現場巷道開挖后的實際情況與數值模擬結果看出，造成巷道圍巖變形破壞的主要原因是：煤體強度低、圍巖承載能力低，巷道兩幫是圍巖控制重點。

3 支護方案數值模擬的分析

通過上述煤巷變形破壞機理可知：頂板變形破壞程度小，可對其不支護，但考慮到頂板可能會因暴露時間較長產生風化或遇破碎帶、構造帶產生脫落等現象，因此確定對其采用錨網支護。每排設3根錨桿，采用φ18mm×2000mm型全螺紋鋼等強錨桿，間排距2000mm×1000mm。對于兩幫，由于煤體軟，需加強支護，根據理論計算并結合現場實際，兩幫采用錨網支護，錨桿為φ18mm×2400mm型全螺紋鋼等強錨桿，間排距850 mm×800 mm，金屬網全用10號鐵絲編制，網格100mm×100mm。

根據確定的支護方式與參數，采用數值模擬對其圍巖變形與破壞進行分析，見圖3。根據圖3結果分析看出：

圖3 支護后的圍巖變形破壞及應力分布圖

1）巷道整體穩定性能明顯提高，變形破壞程度減小，尤其是兩幫的完整性保持較好，兩幫與底板交接處的變形破壞程度大大降低。

2）應力集中區域有了變化，主要分布于巷道頂板、兩幫與頂板交匯處，最大水平應力9 MPa，最大垂直應力4.5MPa，最大剪應力4MPa。可見，由于錨桿的擠壓加固作用，優化支護參數后，擴大了固化區域，使兩幫松軟煤體得以加固，改善了巷道的穩定性。

4 現場應用

針對軟煤堅硬頂板大斷面煤巷的變形破壞與支護效果，優化了王家莊煤礦150101運輸順槽的支護參數：幫錨桿采用φ18mm×2400mm型全螺紋鋼等強錨桿，間排距850 mm×800 mm；頂錨桿仍用φ18 mm×2 000 mm型全螺紋鋼等強錨桿，間排距2 000 mm×1 000 mm，頂角錨桿與水平面夾角70°；金屬網全用10號鐵絲編制，網格100 mm×100 mm；采用φ130mm×10mm的圓形鐵托盤。

為了監測巷道支護參數改變后的變形，分別在頂板及兩幫設置了三個監測點實時監測，根據監測統計，巷道頂板下沉量4 mm，兩幫最大移近量105 mm和102 mm，頂板下沉量和兩幫移近量都有降低，片幫現象得到改善。可見，通過支護參數優化，巷道圍巖的變形得到一定控制，錨桿長度和間距的變化能增大錨固范圍，對改善圍巖穩定性起了重要作用。

5 結束語

1）結合現場實際，采用UDEC軟件數值模擬分析，指出了無支護條件下巷道圍巖變形破壞的主要原因：煤體強度低、圍巖承載能力低。

2）提出了巷道的支護方案，優化支護參數后提高了圍巖的穩定性，圍巖變形得到很好控制，頂板、兩幫的變形量分別降低33%、19%和21%，片幫現象得到明顯改善。

3）以優化后的支護參數為指導，進行了現場試驗，結果表明：錨桿長度和間距等的改變，增大了錨固范圍，改善了圍巖穩定性，取得了顯著效果。

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