傾斜煤層巷道圍巖支護方法研究及分析

劉佳偉

（山西焦煤西山煤電官地煤礦，山西 太原 030022）

1 工程地質概況

官地礦中六區2#煤層直接頂板為砂質泥巖，破碎易冒落，靠近煤層有一層0.1～0.4 m碳質泥巖偽頂，節理發育，隨采隨冒。老頂為細粒砂巖，采后5～6個月冒落，呈周期性來壓。底板為砂質泥巖、細粒砂巖，采后無底鼓現象。3#煤層直接頂板為砂質泥巖及細砂巖，節理發育，距2號煤層底板4.5～7 m，隨采隨冒，頂板較難管理。底板為砂質泥巖或泥巖。

根據本井田鉆孔巖芯、井下上組煤煤層頂底板巖石力學試驗結果見表1。

2 工作面巷道破壞特征

對于官地礦中六采區3#煤傾斜煤層而言，回采巷道常常表現為頂底板受力不均，壓力呈區域性的異常增大，圍巖破碎冒落嚴重，巷道斷面在非對稱力的作用下，變形成不規則斷面，影響巷道的使用功能[1-3]。該3#煤3005工作面巷道采用沿煤層傾斜方向的梯形巷道斷面，巷道斷面在地應力的作用下，變形破壞嚴重，局部塌落極其嚴重，錨桿支護幾乎無法控制巷道的變形。由于圍巖流變性較強，巷道圍巖自承能力較弱，圍巖失穩冒落范圍較大，如何改善當前的巷道圍巖穩定性問題成為亟待解決的技術難題。

表1 3#煤層頂底板巖石力學試驗結果表

3 巷道計算模型建立

3.1 煤巖層條件

根據官地礦中六采區3005工作面煤巖鉆孔地質報告和主采煤層特點，建立數值模擬巷道穩定性的數值計算模型，官地礦中六采區主采煤層力學參數見表2所示。

表2 模擬巷道圍巖力學參數

3.2 開采條件

官地礦中六采區主采煤層3#煤層平均厚度3.25 m，走向 N11°～E26°，傾向 SE，3 號煤傾角18°～35°。主采煤層頂板、底板巖層賦存情況已探明，具備開采條件，3005工作面長度113 m。

3.3 計算方法

運用FLAC3D模擬3005工作面巷道在地應力作用下的變形破壞特征，采用Mohr-Coulomb力學分析方法，確定3005工作面巷道屈服破壞定量大小[4-6]，即：

式中：

fs-巷道屈服破壞量，mm；

σ1-巷道所受最大主應力，MPa；

σt-巷道巖層的抗拉強度，MPa；

σ3-巷道所受最小主應力，MPa；

C-巖層間的膠結力，MPa；

φ-巖石或巖體的內摩擦角，（°）。

3.4 計算模型

數值計算模型大小見圖1所示，官地礦中六采區3#煤工作面跨度113 m，采掘推進長度為160 m，推進方向西向東，模擬計算力學模型上覆巖層50 m，底板巖層20 m。

圖1 巷道數值計算模型（單位：m）

4 計算結果及其分析

4.1 支護方案

官地礦中六采區3005工作面巷道擬采用兩種斷面形狀進行對比分析，兩種斷面形狀方案巷道支護模擬計算參數如下：

（1）錨桿：巷道頂板錨桿和巷道幫錨桿均采用Ф20×2000mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距800×800mm，錨桿有效錨固長度均為800 mm。

（2）錨索：巷道頂板錨索采用Ф15.24×6300mm鋼絞線，有效錨固長度2000mm，錨索預應力托板為400×400×10mm鋼板，錨索布置采用三花布置。

（3）錨固劑：錨桿均使用兩支中速樹脂錨固劑和一支快速樹脂錨固劑；錨索均使用三支中速錨固劑和兩支快速錨固劑。

4.2 數值模擬結果分析

通過已知官地礦中六采區3005工作面煤巖力學特性，進行兩種方案的模擬計算，數值模擬巷道埋深200 m，巷道圍巖所處地應力及原巖應力大小均以模擬巷道埋深計算。主要模擬計算結果如圖2。

圖2 兩種方案的巷道圍巖屈服破壞圖

由圖2分析可知，兩種斷面形狀的巷道模擬圍巖破壞變形較大，且破壞范圍不是以巷道中軸線對稱分布，顯然是由于煤層賦存情況造成的，傾斜煤層對巷道的破壞穩定性影響是非對稱的。

由圖2可知，采用直角梯形斷面時，巷道最大破壞區域在巷道頂板，破壞沿煤層傾斜方向，最大破壞范圍為2.6m，巷道左幫破壞2m，右幫破壞2.2m，巷道受地應力影響最小的部位為巷道地板區域，最大破壞深度為1.4m；采用拱形巷道斷面時，巷道最大破壞區域發生在巷道頂板左側，破壞深度1.5m，破壞深度基本以巷道中軸線對稱，巷道最小破壞深度發生在地板，僅有0.6m。分析可知，采用拱形斷面，可有效控制巷道圍巖的非對稱破壞，使得巷道受力較均勻，在錨桿支護范圍內頂板破壞深度同比減小48.2%。

圖3 兩種方案的巷道圍巖應力分布云圖

圖3表示官地礦中六采區3005工作面巷道的模擬兩種不同斷面形狀的巷道圍巖應力分布圖。由圖可以得出，巷道開挖，在巷道周邊形成不同程度的應力升高區，這是由于開挖引起的原巖應力重新分布造成的，使得巷道周邊部分區域形成應力集中現象。從兩種巷道斷面的模擬圍巖應力可知，直角梯形斷面巷道最大垂直應力發生在巷道左肩角部位，其值約為22.6MPa；最小垂直應力發生在右肩角部位，其值約為8.2MPa；拱形巷道斷面最大垂直應力發生在巷道頂板錨固區上方，其值約為14.8MPa，相比梯形斷面減小約31.3%；最小垂直應力發生在拱形巷道左右拱肩部位，呈對稱分布，大小約3.6MPa，相比梯形斷面減小約54.5%。兩種方案對比分析可知，采用拱形巷道斷面使得傾斜煤層中，對非對稱力的轉移有著較好的改善作用。

圖4表示官地礦中六采區3005工作面巷道的模擬兩種不同斷面形狀的巷道圍巖位移分布圖。傾斜煤層中開挖巷道，勢必造成圍巖的變形塌落呈不規則分布，從圖中可以看出，梯形斷面最大位移變形發生在頂板中央，大小為112.5 mm；拱形巷道斷面頂板變形明顯偏于右半拱，底板變形明顯偏于左側，最大位移變形為50.3 mm，相比梯形斷面，位移變形減小55.7%，圍巖基本處于穩定狀態。

圖4 兩種方案的巷道圍巖位移變形云圖

5 結論

官地礦中六采區3#煤由于煤層傾斜造成的巷道圍巖變形破壞嚴重，錨桿支護失效，本文通過數值模擬兩種巷道斷面形狀及其支護參數對巷道圍巖穩定性的影響，得出以下結論：

（1）傾斜煤層開挖梯形巷道造成巷道圍巖呈非對稱受力，圍巖移動變形無規律，巷道肩角部位受力較大，變形破壞較大。

（2）采用拱形巷道斷面及其支護參數，能有效控制巷道圍巖的非對稱變形，使得圍巖受地應力作用沿巷道中軸線對稱分布。數值模擬分析表明，采用拱形巷道斷面及其支護參數，相比梯形巷道斷面及其支護參數下，巷道圍巖破壞、垂直應力、垂直位移均有所減小，同比減小分別為48.2%、31.3%和55.7%。