大斷面碎裂煤巷優(yōu)化支護技術(shù)研究與應(yīng)用

薄勇吉，孔軍峰(.西山煤電集團 杜兒坪礦，山西 太原 0300；.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 00083)

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展對煤炭資源需求的快速增長，采礦工業(yè)在國內(nèi)有著不可或缺的地位，我國煤礦開采逐漸進入機械化、煤層埋藏深的階段，開采難度也逐漸加大，在采掘影響下巷道所面臨的圍巖變形大的問題擺在了面前。在以變形壓力為主的巷道圍巖中，為了適應(yīng)巷道復(fù)雜的圍巖應(yīng)力和變形的特征，研究支護的合理性能和結(jié)構(gòu)形式，既能有效地抑制圍巖變形，又能與圍巖共同作用下形成結(jié)構(gòu)，減少支架損壞和改善巷道維護。

在不同的礦井中，多為矩形及拱形巷道斷面，對傾斜頂板異形巷道斷面的研究相對較少。同樣的巷道寬度，異形巷道頂板暴露長度比矩形巷道大許多，頂板傾斜角度大時，頂板巖層自重應(yīng)力和離層阻力有一定角度，頂板巖層支護結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生一定下滑力[1]，因此形成這種頂板及兩幫非對稱破壞特征。本文對此斜頂異形巷道圍巖變形機理進行分析，為具有相似地質(zhì)條件的巷道提供一個重要的借鑒價值。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件及概況

某礦051508工作面位于五采區(qū)南翼四區(qū)段，東邊為實體煤(與F2斷層距離大于60 m)；西邊與051506機巷留設(shè)20 m保護煤柱；南邊與五更山W1814工作面停采線相距10 m；北邊與+990 m南翼石門相距50 m，工作面布置示意圖見圖1. 根據(jù)地質(zhì)勘探資料可知，該煤巷所屬采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件較簡單，所采煤層十五煤為主要可采煤層之一，煤層厚度1.32～5.2 m，平均厚度3.18 m，平均傾角13°，十五煤偽頂為泥巖，厚度0.2 m，頂部見極細煤線；直接頂為粉砂巖，厚度1.72 m；老頂為中砂巖和細砂巖，中砂巖，厚度12.41 m，細砂巖，厚度4.75 m；直接底為粉砂巖和煤線，粉砂巖，厚度1.31 m，夾煤線；老底為細砂巖，厚度3.92 m.

圖1 051508工作面位置示意圖

1.2 051508機巷原有支護參數(shù)

十五煤整體是一個單斜構(gòu)造，平均傾向116°，平均傾角13°.巷道采用沿頂板掘進形式，因而051508機軌合一巷道設(shè)計為異矩形巷道，巷道設(shè)計寬度為4 800 mm，上幫高3 320 mm，下幫高2 300 mm，中高2 810 mm，采用為錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼帶、錨索聯(lián)合支護，機巷兩側(cè)為實體煤，幾乎不受上區(qū)段采空區(qū)疊加應(yīng)力影響，在此支護形式下，巷道頂板及兩幫破碎并不嚴(yán)重，能滿足基本的行人、運輸和通風(fēng)等。為實現(xiàn)礦井安全快速成巷，將原有方案簡化，以加快掘支成巷速度。具體支護方案見圖2.

圖2 051508機巷原有支護方案示意圖

1) 頂板支護。

a) 錨桿規(guī)格參數(shù)。

錨桿規(guī)格：d20 mm×2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨桿布置：間排距770 mm×900 mm，每排布置7根，靠煤柱幫側(cè)的角錨桿與上幫的距離為144 mm，靠下幫側(cè)的角錨桿與下幫的距離為143 mm. 錨桿角度：靠近兩幫處錨桿與頂板呈60°，其余錨桿垂直頂板布置。

b) 單體錨索規(guī)格參數(shù)。

錨索規(guī)格：選用d17.8 mm×7 000 mm單體錨索。單體錨索布置：采用兩根/排布置方式時，間排距為1 800 mm×2 700 mm. 錨索角度：兩根錨索均垂直頂板布置。

2) 上幫支護。

錨桿型號：選用d18 mm×2 000 mm鋼筋錨桿。錨桿布置：一排布置2根錨桿，錨桿間排距1 000 mm×900 mm，上部錨桿距頂板400 mm. 錨桿角度：錨桿垂直巷幫布置。

3) 下幫支護。

錨桿型號：選用d18 mm×2 000 mm鋼筋錨桿。錨桿布置：一排布置3根錨桿，錨桿間排距1 000 mm×900 mm，上部錨桿距頂板400 mm. 錨桿角度：錨桿垂直巷幫布置。

2 理論分析

2.1 異形巷道圍巖力學(xué)模型

根據(jù)斜頂巷道斷面及其圍巖賦存特征，為更直接地揭示巷道在受非均布載荷情況下圍巖破壞特征，并據(jù)此確定合理優(yōu)化支護偏重點和巷道支護形式，建立傾斜頂板巷道圍巖非均布載荷的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型(圖3)，得出傾斜疊合巖板梁下的應(yīng)力及兩幫側(cè)頂板懸露跨度公式：

圖3 巷道頂板圍巖受力分析圖

(1)

(2)

L1=asin(45°-φ)/sin(45°+γ+φ)

(3)

L2=bsin(45°-φ)/sin(45°-γ+φ)

(4)

式中：

Li—機巷兩幫失穩(wěn)所增加的頂板實際懸露跨度值，m；

L1—巷道下幫側(cè)頂板懸露跨度，m；

L2—巷道上幫側(cè)頂板懸露跨度，m；

q(x)—巷道頂板受到上覆巖層的非均布載荷，MPa；

H—直接頂?shù)挠嬎銓挾龋琺；

2l—煤巷的寬度，m；

Hi—巷道中心線位置的高度，m；

γ—巷道的頂板傾角,(°)；

φ—煤層的內(nèi)摩擦角，m；

a—巷道下幫高度，m.

b—巷道上幫高度。

由(1)式可知，當(dāng)巷道煤幫軟弱失穩(wěn)時，頂板的實際懸露長度加大，而實際懸露長度的增加帶來的不僅是支護難度的增加，更會導(dǎo)致頂板巖梁拉應(yīng)力急劇增加。這亦解釋了兩幫失穩(wěn)時，會加劇頂板的破壞程度。因此，巷道圍巖控制應(yīng)加強對兩幫的控制。此外，Li表明傾斜頂板巷道兩側(cè)增加的懸露長度不同，在支護設(shè)計時應(yīng)充分考慮。由(3)(4)式可知，a為下幫高度要小于上幫高度b，且正弦值sin(45°-γ+φ)小于sin(45°+γ+φ)，可以得出上幫側(cè)頂板所需要的控制懸露跨度L2明顯大于下幫側(cè)頂板控制懸露跨度L1，頂板兩側(cè)形成顯著的不對稱性分布。

2.2 傾斜煤層巷道支護優(yōu)化方向

通過對051508機巷圍巖體力學(xué)模型分析計算，得出巷道的兩幫及頂板承載力呈現(xiàn)非對稱性分布，因而構(gòu)成了支護結(jié)構(gòu)的非對稱形式。參照以往煤巷開掘的支護方案和經(jīng)驗，采用煤巷錨桿索聯(lián)合支護技術(shù)，基于此特殊巷道斷面特征圍巖應(yīng)力分布情況，總結(jié)出以下3點優(yōu)化方向：

1) 頂板錨桿支護：頂板錨桿通過自身錨固力將淺部圍巖有機結(jié)合形成結(jié)構(gòu)，增加了各分層之間的正向應(yīng)力和摩擦力，減弱了傾斜頂板所引起的巖層沿層理面滑移，而由頂板兩幫側(cè)懸露跨度可以看出，上幫側(cè)的控頂范圍明顯大于下幫，且煤層傾角越大，兩者差異越明顯。因此將頂板兩側(cè)錨桿和兩幫上側(cè)錨桿角度適當(dāng)偏移可有效降低兩側(cè)應(yīng)力集中范圍，增大錨桿所提供的水平應(yīng)力，有利于巷道頂板的穩(wěn)定性。

2) 加固底角關(guān)鍵部位：通常情況下，底板并不支護，造成兩幫及底角破碎區(qū)、塑性區(qū)很大，大范圍的破碎區(qū)圍巖發(fā)生碎漲變形,兩幫變形和底鼓十分嚴(yán)重[2]. 在原有支護形式下，幫錨桿垂直于兩幫，不能對底角進行保護，使巷道底角出現(xiàn)大變形，因而可能導(dǎo)致幫部軟弱失穩(wěn)影響巷道圍巖承載能力不足，進而導(dǎo)致巷道施工困難及后期加強支護成本增大等問題。

3) 錨桿索間排距：錨桿索間排距是維護頂板大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素，錨桿通過錨入圍巖體內(nèi)的有效長度將圍巖錨固在一起，改善了圍巖力學(xué)狀態(tài)，合理的錨桿索間排距不僅能實現(xiàn)維護巷道頂板圍巖穩(wěn)定而且又能節(jié)省材料，增加經(jīng)濟效益。

3 數(shù)值模擬

3.1 煤巖體模型的建立

051508機巷兩側(cè)可認(rèn)定為實體煤，其計算模型選取工作面長度方向為x軸，垂直工作面長度方向為y軸，鉛垂向上方向為z軸。考慮到巷道變形的影響范圍，為說明規(guī)律且更為直接地展現(xiàn)圍巖變形情況，在x軸方向上，從巷道中心線向左側(cè)取25 m，右側(cè)取25 m. 在y軸方向上，沿工作面長度方向上取50 m，在z軸方向上，巷道上幫高4.5 m，下幫高3.5 m.計算模型的尺寸為50 m×50 m×41 m，巷道圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖模型。巷道埋深設(shè)為355 m，應(yīng)力為均布載荷q=8.875 MPa，側(cè)壓系數(shù)為1.2. 通過參照趙毅鑫[3]等的研究，得到煤巖體力學(xué)參數(shù)，將研究模型中煤、巖體的力學(xué)參數(shù)設(shè)置，見表1.

表1 煤巖層巖石力學(xué)參數(shù)表

3.2 巷道圍巖塑性區(qū)分布

1) 頂板錨桿索長度。

頂板錨桿索長度是維護巷道頂板大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素，特別是巷道還要經(jīng)受本工作面采動的影響，錨桿與淺部圍巖形成“小結(jié)構(gòu)”，其與深部圍巖耦合作用對上覆巖層形成承載力[4]. 當(dāng)巷道受到因工作面采動產(chǎn)生的支承壓力影響時，巷道淺部圍巖的破壞范圍變大，巷道周圍塑性區(qū)范圍增大，錨桿可以與淺部圍巖形成耦合結(jié)構(gòu)，有效地維護了頂板穩(wěn)定性，錨索直接錨入堅硬的老頂內(nèi)，使淺部較為破碎巖體與深部老頂有機地懸吊在一起，降低了頂板階梯性下沉及局部冒落嚴(yán)重的程度。通過數(shù)值計算，研究頂板錨桿長度(孔深度)分別為2.3 m、2.4 m和2.5 m時巷道圍巖塑性區(qū)，得出錨桿的最佳長度，以及模擬錨索長度為6 m、6.5 m、7 m時巷道的穩(wěn)定性，通過對比分析，得出錨索長度的最優(yōu)值，不同錨桿索長度影響下圍巖塑性區(qū)分布見圖4，5.

圖4 巷道不同長度頂板錨桿塑性區(qū)分布圖

圖5 頂板不同錨索長度塑性區(qū)分布圖

由塑性范圍大小可以看出：錨桿索長度越長，圍巖塑性區(qū)越小，2.4 m錨桿與原有支護形式2.5 m錨桿影響范圍幾乎相同，2.3 m錨桿影響下，圍巖整體破壞明顯加重，因此，優(yōu)化方案中2.4 m錨桿更為合理。同樣，錨索在6.5 m時能與堅硬老頂連接形成懸吊作用，塑性范圍并不大，6.5 m錨索能安全有效地簡化了原有支護形式。

2) 兩側(cè)頂板錨桿角度。

通過理論分析可以看出，斜頂巷道頂板存在明顯的非對稱性，下幫頂板側(cè)相比上幫側(cè)所受應(yīng)力較小，可通過模擬適當(dāng)調(diào)整角度對支護方式進行優(yōu)化。本次模擬分別對下幫錨桿角度為20°、25°和30°的支護方案進行數(shù)值模擬計算，對上幫錨桿角度為25°、30°和35°的支護方案進行模擬，以探究錨桿角度對巷道兩幫頂角穩(wěn)定性的影響，進而確定合理的錨桿角度，兩側(cè)頂板錨桿不同偏移角度下圍巖塑性區(qū)分布圖分別見圖6，7.

圖6 頂板下幫側(cè)錨桿不同偏移角度塑性區(qū)分布圖

圖7 頂板上幫不同錨桿偏移角度塑性區(qū)分布圖

改變兩側(cè)頂板的錨桿偏移角度直接影響兩幫及頂板兩側(cè)的塑性破壞范圍，合理的偏移角度能改善圍巖應(yīng)力環(huán)境抑制幫、角的破壞。由理論分析下得到的頂板兩側(cè)的實際懸露面積不同導(dǎo)致頂板的非對稱破壞，從圖6，7可以看出，下幫側(cè)錨桿偏移角度為20°時頂板塑性區(qū)最小，且下幫圍巖塑性區(qū)在錨固控制范圍之內(nèi)，因此下幫側(cè)頂板錨桿偏移20°時最為合理。同樣發(fā)現(xiàn)頂板上幫側(cè)錨桿偏移30°時上幫和頂板塑性區(qū)均處于錨固范圍之內(nèi)，因此從安全的角度出發(fā)滿足優(yōu)化的實際需求。

3) 上下煤幫錨桿角度。

上下煤幫采用螺紋鋼錨桿支護，由于巷幫高度不同圍巖形成顯著的非對稱性破壞，為了得到煤幫錨桿最佳安設(shè)角度，數(shù)值模擬分析上下煤幫支護角錨桿分別為向外側(cè)偏移0°、10°和20°時巷道的穩(wěn)定性，通過分析比較，得出上下煤幫最佳偏移角度，塑性區(qū)分布見圖8.

圖8 兩幫外側(cè)錨桿不同偏移角度塑性區(qū)分布圖

幫部錨桿將圍巖有效地穩(wěn)固在一起，形成一個整體錨固帶，如若不對角錨桿進行偏移，則使兩幫頂?shù)捉谴嬖谝欢ǚ秶摹笆Э貐^(qū)”，造成兩幫頂角的片幫或煤體切落，但如若偏移角度過大，同樣會影響兩幫的控制范圍，造成上幫圍巖完整性惡化，從圖8可以看出，兩幫錨桿偏移10°時，失控范圍最小，兩幫及頂板的塑性破壞區(qū)最小，因此從塑性區(qū)范圍上看，兩幫錨桿偏移10°最為合理。

4) 安設(shè)錨桿索排距。

根據(jù)該礦原有設(shè)計支護方案，每排錨桿間距為900 mm，每三排錨桿安設(shè)一排單體錨索，即錨索排距為2 700 mm，由于在原有支護條件下礦壓顯現(xiàn)并不明顯，應(yīng)該礦要求，在保證施工安全的前提下對支護密度進行優(yōu)化，同樣按三排錨桿安設(shè)一排錨索的支護形式，數(shù)值模擬分析錨桿排距為900 mm、950 mm、1 000 mm時巷道穩(wěn)定性，通過分析比較得出最佳錨桿索排距，破壞區(qū)分布見圖9.

圖9 巷道不同錨桿索排距影響下塑性區(qū)分布圖

顯然一定程度上錨桿索的間排距與圍巖塑性范圍呈正比，排距越大，圍巖穩(wěn)定性越差，錨桿的效果越不明顯，可能引起頂板嚴(yán)重下沉，水平擠壓錯動變形及肩角部位頂板嵌入、錯位和臺階性下沉等非對稱變形破壞[5]，從圖9可以看出，當(dāng)錨桿排距為0.95 m時，頂?shù)装寮皫筒克苄苑秶c原有支護下大致相同，能滿足基本的礦井運輸、行人等功能，當(dāng)錨桿排距為1.0 m時，其巷道圍巖的穩(wěn)定性降低，超出錨固控制范圍，不利于錨桿與圍巖形成小結(jié)構(gòu)承受上覆巖層自重力。因此，優(yōu)化方案定為錨桿排距為0.95 m，錨索排距為2.85 m更為合理。

3.3 優(yōu)化方案的確定

為提高材料利用率，實現(xiàn)快速掘進巷道，優(yōu)化方案優(yōu)先采用該礦原有的支護材料，即錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼帶、錨索聯(lián)合支護，具體支護形式見圖10.

圖10 051508機巷不對稱支護優(yōu)化方案圖

1) 頂板支護。

a) 錨桿規(guī)格參數(shù)。

錨桿規(guī)格：d20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨桿角度：靠近上幫處頂角錨桿與頂板呈70°，靠近下幫處頂角錨桿與頂板呈60°，其余錨桿垂直頂板布置。

b) 單體錨索規(guī)格參數(shù)。

錨索規(guī)格：選用d17.8 mm×6 500 mm單體錨索。 單體錨索布置：單體錨索采用兩根/排布置方式時，間排距為1 600 mm×2 850 mm，鉆孔深度6 250 mm. 錨索角度：兩根錨索均垂直頂板布置。

2) 上幫支護。

錨桿布置：一排布置3根錨桿，錨桿間排距1 000 mm×950 mm，上部錨桿距頂板400 mm. 錨桿角度：頂板處錨桿向上傾斜10°，底板處錨桿向下傾斜10°，其余垂直布置。

3) 下幫支護。

錨桿布置：一排布置2根錨桿，錨桿間排距1 000 mm×950 mm，上部錨桿距頂板400 mm. 錨桿角度：頂板處錨桿向上傾斜10°，底板處錨桿向下傾斜10°，其余垂直布置。

4 工程實踐

1) 在觀測的近兩個月中，巷道斷面收斂率與原有支護下基本一致，兩幫移近量最大不超過220 mm，頂板下沉量最大不超過200 mm，能滿足巷道行人運輸需求，巷道圍巖控制效果較好。

2) 頂?shù)装寮皟蓭鸵平看笮缀跸嗤瑑蓭褪艿綐?gòu)造應(yīng)力的水平錯動影響，其移近量始終比頂?shù)装逦灰坡源螅?jīng)過25天趨于穩(wěn)定。

3) 頂板離層監(jiān)測結(jié)果表明，頂部松動離層值很小，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 錨桿錨固力和預(yù)緊力矩檢測結(jié)果表明合格率高，051508機軌合一巷采用錨桿索支護的施工質(zhì)量好、支護系統(tǒng)工作可靠。

5 結(jié) 論

1) 傾斜煤層巷道的上幫煤體破碎相對嚴(yán)重，頂板上幫側(cè)圍巖強度相對下幫側(cè)較低，圍巖完整性相對較差，建立力學(xué)模型分析出上幫側(cè)頂板控制懸頂面積明顯大于下幫，因此需承受更大范圍的圍巖應(yīng)力。通過對現(xiàn)場調(diào)研及理論分析結(jié)果，提出優(yōu)化方案和著重支護范圍。

2) 采用FLAC3D對不同支護參數(shù)進行數(shù)值模擬，得出在新的支護參數(shù)下巷道變形和塑性破壞區(qū)云圖，經(jīng)過分析完全滿足支護要求，證明了計算模型的可靠性和支護參數(shù)的可行性。

3) 在支護方案實施后，對巷道進行了近2個月的巷道頂板位移、頂板離層等項目監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，驗證了提出的傾斜煤層巷道錨桿(索)支護計算模型的正確性和適用性。

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