傾斜煤層沿空掘進巷道不對稱支護技術(shù)

王鵬舉 周 鋼 鄒長磊 王 浩 王 超

(1.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

傾斜煤層沿空掘進巷道不對稱支護技術(shù)

王鵬舉1，2周 鋼1，2鄒長磊1，2王 浩1，2王 超1，2

(1.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

鑒于現(xiàn)階段絕大多數(shù)巷道采用對稱支護方法這一現(xiàn)狀，通過理論分析、數(shù)值模擬以及物理相似模擬技術(shù)揭示巷道圍巖的受力狀態(tài)及變形破壞特征。研究表明傾斜煤層沿空掘進巷道圍巖呈明顯不對稱受力狀態(tài)及變形破壞特征，巷道斷面與巖層傾斜方向成鈍角的部位首先產(chǎn)生變形破壞，隨后產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，巷道的其他部位破壞，最后造成整個巷道的破壞失效。因此常規(guī)的對稱支護技術(shù)不能保證巷道圍巖的穩(wěn)定，針對這一研究結(jié)果提出采用非對稱的支護技術(shù)，在對稱支護的基礎(chǔ)上對薄弱(關(guān)鍵)位置補充加強支護，防止薄弱(關(guān)鍵)部位的破壞而導致的整個巷道的連鎖式破壞，使巷道整個斷面的變形趨于協(xié)調(diào)。在巷道掘進過程中和工作面回采過程中通過現(xiàn)場礦壓及圍巖變形量的檢測分析，錨桿的受力均勻，巷道變形能夠滿足安全生產(chǎn)要求，表明支護效果較好，對類似條件巷道的支護有借鑒意義。

傾斜煤層 沿空掘進巷道 關(guān)鍵部位 不對稱支護

隨著煤炭需求量的日益增加，淺層煤炭資源日趨枯竭，開采深度逐年加大，巷道在深部圍巖中的受力狀態(tài)和淺部時差異很大，巷道圍巖的地質(zhì)力學環(huán)境更加復雜，圍巖的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非對稱性，加之高地應(yīng)力的作用，使得巷道圍巖大多數(shù)處于非對稱的受力狀態(tài)，圍巖出現(xiàn)非對稱變形破壞，此時常規(guī)的對稱支護理念已經(jīng)不能滿足要求。局部高應(yīng)力區(qū)的存在使得這部分首先出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，進而導至整個斷面的連鎖式破壞。但是如果提高全斷面的支護強度，勢必導致支護材料的浪費，增加支護費用，巷道的變形不協(xié)調(diào)，減緩了巷道的成巷速度，影響了煤炭開采的高效。

1 巷道不對稱支護研究現(xiàn)狀

針對上述現(xiàn)狀，很多學者進行了研究：張農(nóng)等[1]分析了巷道在薄層狀煤巖互層中時圍巖表現(xiàn)的非對稱和不均勻的破壞特征，提出一錨桿、錨索、注漿的主動支護為主體構(gòu)建整體封閉式支護，并輔以結(jié)構(gòu)補強的支護技術(shù)；許紹明，徐穎針[2]對深部軟巖巷道圍巖的非對稱變形破壞問題，通過現(xiàn)場考察研究，分析了巷道非對稱變形破壞的原因，提出對薄弱部位采用加強支護的非對稱耦合控制對策；楊科等[3]采用數(shù)值模擬綜合分析了大傾角煤層回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征，揭示了大傾角煤層回采巷道圍巖力學特征非對稱演化機理，提出并實施了大傾角煤層實體煤回采巷道和留小煤柱回采巷道的非對稱錨網(wǎng)索支護方法；張蓓，曹勝根[4]基于大傾角煤層巷道圍巖破壞現(xiàn)場探測信息，建立了不同巖層傾角下巷道圍巖變形破壞的數(shù)值計算模型，研究了大傾角煤層巷道圍巖非對稱變形破壞機制，得出圍巖變形破壞的關(guān)鍵部位，提出了大傾角煤層巷道圍巖關(guān)鍵部位非對稱耦合支護對策；傅清國等[5]通過三維數(shù)值模擬方法，研究巷道非對稱變形時周圍巖體的位移場分布規(guī)律，分析巷道推進到上部工作面下方時應(yīng)力分布規(guī)律，為深部巷道非對稱變形控制提供初步的理論依據(jù)；任奮華等[7]綜合分析區(qū)域地質(zhì)特征、巖體空間變異特征、開采技術(shù)條件和支護模式的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D程序技術(shù)定量評價了破碎巖體巷道非對稱破壞的變形特征，并與現(xiàn)場檢測對比，進一步驗證了計算模型的正確性和可行性；王亞瓊等[8]針對淺埋偏壓連拱隧道施工中出現(xiàn)的受力非對稱問題，結(jié)合工程實際情況，通過有限元分析與現(xiàn)場檢測，洗淺埋偏壓連拱隧道非對稱支護結(jié)構(gòu)的受力狀況，采用非對稱設(shè)計方法對支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；孫曉明等[9]針對深部傾斜巖層巷道圍巖在開挖支護后所表現(xiàn)出來的非對稱變形破壞的變形破壞機制及耦合控制對策進行了數(shù)值模擬與工程應(yīng)用研究，研究表明，深層傾斜巖層巷道斷面與巖層傾斜方向的鈍角部位是產(chǎn)生非對稱變形破壞的關(guān)鍵部位，非對稱變形破壞的機制主要表現(xiàn)為巖層結(jié)構(gòu)的非對稱影響而產(chǎn)生的層間剪切滑移變形機制及高應(yīng)力擴容機制等差異性變形機制，并提出了非對稱耦合控制對策；徐穎等[11]針對深部軟巖巷道圍巖的非對稱變形破壞，結(jié)合典型工程實例，提出了非對稱耦合支護對策；鄒敏鋒等[10]針對某礦“孤島”綜采工作面的支護變形問題，通過現(xiàn)場實驗與MIDAS軟件數(shù)值模擬計算，提出了錨網(wǎng)復合不對稱支護方法，計算和試驗結(jié)果表明兩幫變形更為協(xié)調(diào)，同一斷面各錨桿間的受力分布更均勻，對巷道整個收斂量起到了較好的控制作用。

本研究在總結(jié)現(xiàn)有關(guān)于研究巷道不對稱支護方法技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析位于傾斜煤層中的沿空掘進輔助巷道圍巖不均勻破壞及失穩(wěn)規(guī)律，主要研究錨桿、錨索等主動支護為主的非對稱支護技術(shù)，并通過對重點薄弱部位進行加強支護，有效地控制了此類巷道圍巖的破壞失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 巷道地質(zhì)概況

某礦21108工作面埋深600～670 m，煤層傾角約10°，厚度變化較小，煤巖類型以亮煤為主；偽頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度為0.52 m；直接頂為細砂巖，平均厚度為3.59 m；老頂為中砂巖，平均厚度10.21 m；直接底為泥巖，平均厚度2.77 m；老底為中粒砂巖，平均厚度18.34 m；圍巖節(jié)理較發(fā)育，膠結(jié)程度差，松軟破碎，自承能力差，而且對水的作用極為敏感。巷道沿頂板掘進，預留5 m小煤柱，巷道寬3 500 mm，低幫25 000 mm，高幫3 300 mm；巖性特征如表1所示。

表1 地層巖性特征Table 1 Formation lithology characteristics

3 傾斜煤層沿空掘進巷道圍巖力學特性及變形機制

此巷道為傾斜煤層沿空掘進巷道，巷道兩幫圍巖結(jié)構(gòu)不對稱，加之上工作面回采影響，小煤柱各項物理力學性質(zhì)相對于實體煤均有不同程度的減弱，這更加劇了巷道的不對稱性，由于對此類巷道受力變形機理認識不足，巷道原支護方式為錨桿錨索對稱支護，巷道掘進過程中斷面局部圍巖變形，導致巷道整個斷面發(fā)生持續(xù)不對稱變形，嚴重影響了礦井的生產(chǎn)安全，因此要想控制此類巷道的變形，必須對斷面的關(guān)鍵部位進行補充加強支護。

現(xiàn)階段對此類巷道的研究表明，傾斜巖層巷道斷面與巖層傾斜方向的鈍角部位是產(chǎn)生非對稱變形的關(guān)鍵部位，非對稱變形破壞的機制主要表現(xiàn)為首巖體結(jié)構(gòu)的非對稱影響而產(chǎn)生的層間剪切滑移變形機制及應(yīng)力擴容變形機制等差異性變形機制。

通過數(shù)值模擬及相似物理模擬顯示，巷道不利部位(關(guān)鍵部位)為小煤柱側(cè)(右?guī)?、左側(cè)底板、左側(cè)頂板，如圖1、圖2所示。

圖1 圍巖受力狀態(tài)數(shù)值模擬

圖2 巷道變形破壞特征物理模擬

4 非對稱支護參數(shù)設(shè)計

根據(jù)以上研究結(jié)果，巷道采用非對稱支護方式，支護參數(shù)及步驟如下：巷道開挖后隨即用高強預應(yīng)力錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼帶對巷道進行支護。頂板5根錨桿，桿體直徑22 mm，長度2 500 mm，極限破斷力大于300 kN，間排距800 mm×900 mm，預緊力大于200 N·m，全長錨固；右?guī)?根錨桿，間排距700 mm×900 mm；左幫4根錨桿，間排距800 mm×900 mm，兩幫錨桿直徑20 mm，長度2 000 mm，極限破斷力大于300 kN，預緊力大于150 N·m，配150 mm×150 mm×6 mm的托盤。

初次支護結(jié)束后，緊接著進行局部關(guān)鍵部位的加強支護：左幫補打底角錨桿，錨桿直徑22 mm，長度2 500 mm，極限破斷力大于400 kN，全長錨固；左幫肩角補打預應(yīng)力錨索，錨索直徑17.8 mm，長度6 300 mm，極限破斷力大于400 kN·m，延伸率大于4%，預緊力大于300 N·m，配有300 mm×300 mm×10 mm的托盤。為了施工工藝的簡單易行，底角錨桿和左幫錨桿排距相同，且位于同一斷面，固定于同一根梯子梁上；肩角錨索和頂板錨桿排距相同，位于兩排錨桿的中間。具體支護參數(shù)見圖3。

圖3 不對稱支護參數(shù)

5 不對稱支護效果

由于采用了非對稱支護技術(shù)，對薄弱位置進行了加強支護，使得整個巷道斷面的受力更加趨于合理，巷道的變形更加協(xié)調(diào)，無局部破壞現(xiàn)象出現(xiàn)。在巷道掘進及回采過程中，對巷道圍巖的變形進行檢測，檢測內(nèi)容包括整個斷面的礦壓檢測、兩幫相對位移及頂?shù)装逑鄬ξ灰疲瑱z測布置如圖4。統(tǒng)計檢測結(jié)果如下：巷道掘進過程中，錨桿最大受力96 kN，最小受力74 kN，受力基本趨于均勻；圍巖收斂量見圖5；工作面回采過程中，錨桿最大受力143 kN，最小127 kN，圍巖收斂量見圖6。

圖4 檢測設(shè)備布置圖

6 結(jié) 論

(1)傾斜煤層沿空掘進巷道兩側(cè)圍巖結(jié)構(gòu)不對稱導致巷道圍巖受力不對稱，上工作面回采影響更加加劇了巷道圍巖的受力不對稱性。

圖5 掘進過程巷道表面位移量

圖6 回采過程巷道表面位移量

(2)通過數(shù)值模擬計算及物理相似模擬分析確定巷道變形破壞的關(guān)鍵位置，并對關(guān)鍵位置進行補充加強支護。

(3)通過現(xiàn)場檢測，在巷道掘進和工作面回采過程中整個斷面錨桿受力均勻，巷道表面變形基本協(xié)調(diào)，并得到有效控制，表明支護效果較好。

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(責任編輯 石海林)

Asymmetric Supporting Technology Used in the Roadway Driving Along the Empty of Tilted Coal Seam

Wang Pengju1，2Zhou Gang1，2Zou Changlei1，2Wang Hao1，2Wang Chao1，2

(1．SchoolofMechanics&CivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China；2.StateKeyLaboratoryforGeo-mechanics&DeepUndergroundEngineering，Xuzhou221116，China)

At present，most of the roadway are supported in symmetrical support methods.In view of this situation，the stress，deformation and failure characteristics of roadway surrounding rock were investigated through the theoretical analysis，numerical simulation and the physical analog simulation technique.The research indicated that the surrounding rocks of roadway driving along goaf in inclined seam appear as asymmetric state.The obtuse angle positions formed along the cross section of roadway and the rock strata dip are damaged and deformed firstly，and then with a chain reaction generated at other positions，the whole roadway is completely destroyed.Therefore，the conventional symmetric supporting technology can not guarantee the stability of surrounding rock of roadway.Aimed at the research result，the asymmetric support technology is recommended.On the basis of symmetrical support，the weak(key)positions are additionally supported to prevent the destruction of the whole roadway chain resulted from partial failure.It makes the whole cross section of roadway tend to be coordinated.Field tests on the ground pressure and the deformation of surrounding rock show that the equal stress of the bolt and the roadway deformation can meet the safety requirement.So the roadway supporting performs well and this supporting can be considered as a reference for similar roadway.

Inclined coal seam，Roadway driving along the goaf，Key parts，Asymmetric supporting

2013-12-04

王鵬舉(1988—)，男，碩士研究生。

TD353

A

1001-1250(2014)-04-070-04