傾斜煤層巷道圍巖支護(hù)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(zhì)概況

官地礦中六區(qū)2#煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖，破碎易冒落，靠近煤層有一層0.1～0.4 m碳質(zhì)泥巖偽頂，節(jié)理發(fā)育，隨采隨冒。老頂為細(xì)粒砂巖，采后5～6個(gè)月冒落，呈周期性來(lái)壓。底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖，采后無(wú)底鼓現(xiàn)象。3#煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖，節(jié)理發(fā)育，距2號(hào)煤層底板4.5～7 m，隨采隨冒，頂板較難管理。底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖。

根據(jù)本井田鉆孔巖芯、井下上組煤煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

2 工作面巷道破壞特征

對(duì)于官地礦中六采區(qū)3#煤傾斜煤層而言，回采巷道常常表現(xiàn)為頂?shù)装迨芰Σ痪瑝毫Τ蕝^(qū)域性的異常增大，圍巖破碎冒落嚴(yán)重，巷道斷面在非對(duì)稱(chēng)力的作用下，變形成不規(guī)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(yīng)力的作用下，變形破壞嚴(yán)重，局部塌落極其嚴(yán)重，錨桿支護(hù)幾乎無(wú)法控制巷道的變形。由于圍巖流變性較強(qiáng)，巷道圍巖自承能力較弱，圍巖失穩(wěn)冒落范圍較大，如何改善當(dāng)前的巷道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題成為亟待解決的技術(shù)難題。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表

3 巷道計(jì)算模型建立

3.1 煤巖層條件

根據(jù)官地礦中六采區(qū)3005工作面煤巖鉆孔地質(zhì)報(bào)告和主采煤層特點(diǎn)，建立數(shù)值模擬巷道穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算模型，官地礦中六采區(qū)主采煤層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 模擬巷道圍巖力學(xué)參數(shù)

3.2 開(kāi)采條件

官地礦中六采區(qū)主采煤層3#煤層平均厚度3.25 m，走向 N11°～E26°，傾向 SE，3 號(hào)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(kāi)采條件，3005工作面長(zhǎng)度113 m。

3.3 計(jì)算方法

運(yùn)用FLAC3D模擬3005工作面巷道在地應(yīng)力作用下的變形破壞特征，采用Mohr-Coulomb力學(xué)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(yīng)力，MPa；

σt-巷道巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；

σ3-巷道所受最小主應(yīng)力，MPa；

C-巖層間的膠結(jié)力，MPa；

φ-巖石或巖體的內(nèi)摩擦角，（°）。

3.4 計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算模型大小見(jiàn)圖1所示，官地礦中六采區(qū)3#煤工作面跨度113 m，采掘推進(jìn)長(zhǎng)度為160 m，推進(jìn)方向西向東，模擬計(jì)算力學(xué)模型上覆巖層50 m，底板巖層20 m。

圖1 巷道數(shù)值計(jì)算模型（單位：m）

4 計(jì)算結(jié)果及其分析

4.1 支護(hù)方案

官地礦中六采區(qū)3005工作面巷道擬采用兩種斷面形狀進(jìn)行對(duì)比分析，兩種斷面形狀方案巷道支護(hù)模擬計(jì)算參數(shù)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(zhǎng)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(zhǎng)度2000mm，錨索預(yù)應(yīng)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(shù)脂錨固劑和一支快速樹(shù)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(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)已知官地礦中六采區(qū)3005工作面煤巖力學(xué)特性，進(jìn)行兩種方案的模擬計(jì)算，數(shù)值模擬巷道埋深200 m，巷道圍巖所處地應(yīng)力及原巖應(yīng)力大小均以模擬巷道埋深計(jì)算。主要模擬計(jì)算結(jié)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(duì)稱(chēng)分布，顯然是由于煤層賦存情況造成的，傾斜煤層對(duì)巷道的破壞穩(wěn)定性影響是非對(duì)稱(chēng)的。

由圖2可知，采用直角梯形斷面時(shí)，巷道最大破壞區(qū)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?guī)推茐?.2m，巷道受地應(yīng)力影響最小的部位為巷道地板區(qū)域，最大破壞深度為1.4m；采用拱形巷道斷面時(shí)，巷道最大破壞區(qū)域發(fā)生在巷道頂板左側(cè)，破壞深度1.5m，破壞深度基本以巷道中軸線對(duì)稱(chēng)，巷道最小破壞深度發(fā)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(duì)稱(chēng)破壞，使得巷道受力較均勻，在錨桿支護(hù)范圍內(nèi)頂板破壞深度同比減小48.2%。

圖3 兩種方案的巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

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

圖4表示官地礦中六采區(qū)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(kāi)挖巷道，勢(shì)必造成圍巖的變形塌落呈不規(guī)則分布，從圖中可以看出，梯形斷面最大位移變形發(fā)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(cè)，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(wěn)定狀態(tài)。

圖4 兩種方案的巷道圍巖位移變形云圖

5 結(jié)論

官地礦中六采區(qū)3#煤由于煤層傾斜造成的巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，錨桿支護(hù)失效，本文通過(guò)數(shù)值模擬兩種巷道斷面形狀及其支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）傾斜煤層開(kāi)挖梯形巷道造成巷道圍巖呈非對(duì)稱(chēng)受力，圍巖移動(dòng)變形無(wú)規(guī)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(hù)參數(shù)，能有效控制巷道圍巖的非對(duì)稱(chēng)變形，使得圍巖受地應(yīng)力作用沿巷道中軸線對(duì)稱(chēng)分布。數(shù)值模擬分析表明，采用拱形巷道斷面及其支護(hù)參數(shù)，相比梯形巷道斷面及其支護(hù)參數(shù)下，巷道圍巖破壞、垂直應(yīng)力、垂直位移均有所減小，同比減小分別為48.2%、31.3%和55.7%。