龐龐塔礦厚煤層大斷面回采巷道圍巖控制分析

薛向澤

(霍州煤電集團呂臨能化有限公司 龐龐塔礦，山西 臨縣 033200)

隨著大型、特大型高產高效礦井的建設與發展，中厚及厚煤層的開發已廣泛使用一次采全厚、綜放的開采方法[1]. 同時，工作面回采巷道斷面也普遍增大至12 m2以上[2]. 斷面的增大使得頂板、巷幫更易發生彎曲變形，當礦壓突增時，有誘發大范圍冒頂片幫的危險[3]. 斷面增大導致圍巖損傷范圍的增加，如圍巖松動圈增大，這就要求支護錨桿(索)的長度更長、強度更大、支護密度更大，造成支護成本上升[4]. 在采動影響下，若支護強度不夠，便不能有效阻止圍巖變形，導致圍巖在松動穩定狀態下出現階段性惡化，迫使巷道空間反復維修，影響正常安全生產[5]. 鑒于此，針對龐龐塔礦9號煤層綜放開采回采巷道圍巖控制難的現狀，提出了巷道的錨桿(索)支護方案，并通過數值模擬對支護效果進行分析，為合理優化支護參數、提高支護強度、有效控制圍巖提供參考。

1 工程概況

龐龐塔礦9號煤層埋藏平均深度400 m，平均厚度11.8 m，傾角為4°～34°，屬于緩傾斜煤層。煤層節理發育，結構復雜，煤層中部夾3層碳質泥巖(0.3～0.7)，煤層厚度變化不大，屬較穩定煤層。煤層直接頂為泥質灰巖，性脆，鈣質不均，不規則裂隙及斜交裂隙發育，大部分充填方解石，含貝殼等動物化石，分布不均，夾泥灰巖薄層；基本頂為灰黑色砂質泥巖，薄層狀，夾粉砂巖條帶，半堅硬，含植物碎屑化石；直接底為黑色炭質泥巖、加亮型條帶，比重小、半堅硬，性脆，中部夾有少量黑色、半亮型煤；基本底為淺灰色細粒砂巖，中厚層狀，石英、巖屑為主，分選中等，泥質等膠結，堅硬及半堅硬，脈狀層理，斜交裂隙發育，未充填。煤層綜合柱狀圖見圖1.

采用綜采放頂煤開采工藝，工作面采高為3.2 m，放頂煤厚度8.6 m，單向割煤，一采一放，采用單輪順序放煤方式，割煤步距0.8 m，放煤步距0.8 m. 回采巷道沿煤層底板布置，其位置關系見圖2. 其中，正巷為矩形斷面，巷道毛寬5.2 m，凈寬5.0 m，巷中毛高3.6 m，凈高3.5 m；副巷亦為矩形斷面，巷道毛寬4.5 m，凈寬4.3 m，巷中毛高3.0 m，凈高2.9 m. 巷道采用以錨桿為基礎支護配頂錨索補強的方式，錨桿d20 mm×2 000 mm，間排距1 000 mm，錨索d17.8 mm×7.0 m，每2.5 m一組，每組2根。但支護后巷道頂板下沉嚴重，翻修量大。

圖1 煤層綜合柱狀圖

圖2 正副巷位置關系圖

2 巷道穩定性數值模擬

使用FLAC2D軟件進行數值模擬。假定煤巖層的巖性各向同性、連續且均勻，暫不考慮巖體中的裂隙、斷層，巖體破壞遵循莫爾庫倫準則[6]. 巖體的物理力學參數見表1，根據工程概況模擬巷道的幾何尺寸。根據采深模型頂部施加10.0 MPa的均布載荷，模型左右兩側設置水平位移約束，即左右兩側邊界不發生水平移動，模型底部設置垂直和水平位移約束，即底部邊界不發生垂直和水平移動。數值模擬主要是分析工作面正、副巷在各自支護方案下的穩定性，正巷支護方案：采用錨網+錨索支護，頂部選用d22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距1 000 mm；幫部選用d22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿間距800 mm，排距1 000 mm；頂部每2 m布置一組d21.8 mm×12.3 m錨索，一組三根，見圖3. 副巷支護方案：采用錨網梁+錨索支護，頂部選用d22 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，幫部選用d20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿間距800 mm，排距1 000 mm；頂部每3.2 m布置一組d21.8 mm×12.3 m錨索，一組三根，見圖4.

3 模擬結果分析

3.1 巷道圍巖應力分布

巷道圍巖應力云圖分別見圖5，6. 由圖5，6可知，正巷與副巷的圍巖應力分布基本相同，即巷道周邊分布有橫向橢圓形水平應力降低區和豎向橢圓形垂直應力降低區，降低區內應力為壓應力，且平均水平及垂直應力分別為2.0 MPa和3.8 MPa，分別是原巖應力的20%和38%. 說明由于開挖擾動致使巷道圍巖出現一定范圍的損傷、破壞，此范圍內巖體強度降低，承受圍巖應力的能力弱化，呈現了應力卸載現象，可近似認為該范圍巖體的自重及其側向壓力是巷道頂板和兩幫圍巖壓力的力源。所以，應力降低區范圍宜是巷道的支護范圍，即巷幫與頂板的支護深度分別約為1.5 m和5.5 m，表明支護方案確定的錨桿長度(2.0～2.5 m)及錨索長度(12.3 m)可穿越支護范圍深入至圍巖的穩定部位，使錨索的懸吊作用和錨桿的擠壓加固作用得以發揮。

表1 煤層及其頂底板物理力學參數表

圖3 正巷支護示意圖

圖4 副巷支護示意圖

圖5 正巷圍巖應力云圖

圖6 副巷圍巖應力云圖

3.2 巷道圍巖位移分布

支護巷道的圍巖位移云圖見圖7，8. 由圖7，8可知水平位移主要呈弧形形態分布于巷道幫部，位移從幫深部至幫表面逐漸增大、從幫中部到幫頂底角逐漸減小。具體看，正巷巷幫最大水平位移為20 mm，位于幫中部高1.5 m、深0.5 m的范圍，兩幫表面平均移近量30 mm；副巷巷幫最大水平位移為17 mm，位于幫中部高1.7 m、深0.9 m的范圍，兩幫表面平均移近量25 mm，表明幫錨支護對幫水平位移的控制作用明顯，這主要是由于錨桿錨固段超越煤幫圍巖損傷破碎區范圍并深入附著于穩定煤體內，加之配合外露端托盤的徑向約束，使得錨桿能夠有效阻止破壞巖體向巷內的超限變形滑動。

圖7 正巷圍巖位移云圖

圖8 副巷圍巖位移云圖

巷道頂板垂直位移呈盆形分布，其在巷寬范圍的下沉量最大；巷幫垂直位移呈線性分布，由巷底角至頂角逐漸增大。對于正巷，頂板下沉量為80 mm，巷幫平均下沉量為50 mm；對于副巷，頂板下沉量為70 mm，巷幫平均下沉量為40 mm. 顯然，由于是厚煤層沿底板巷道，巷道頂煤強度低、厚度大，頂板采用錨桿+錨索支護后，其下沉量對巷道的正常使用不構成顯著影響，說明合理的錨桿參數使得頂板內形成一定強度、一定厚度的擠壓加固拱，強化了淺部頂板的抗載能力，初步阻斷頂板因風化、蠕變及采動等因素造成的圍巖強度持續惡化或突變失穩，當然，由于頂板軟厚，必須錨索補強，即將頂板的軟弱煤層通過錨索懸吊于堅硬的基本頂上，強化了頂板煤層的組合梁效應，同時錨索支護承擔了部分冒落拱引起的圍巖壓力，令其傳導至幫上的壓力降低。

總體看，支護可降低巷道變形量，但不會顯著影響變形的分布狀態，原因是巷道開挖對厚煤體的擾動有限，可等效為小孔無限大巖體模型，在這種巖體中施工空間的圍巖變形分布主要由煤體力學特性決定。工程中認為巖體力學特性是不發生變化的，所以位移分布形態基本恒定。

3.3 巷道圍巖損傷與支護物受力

正、副巷圍巖損傷形態見圖9，10. 損傷范圍主要位于巷道頂底角及兩幫，呈“蝶”形分布，主要損傷形式為剪切塑性損傷。正巷兩幫各分布有4 m2損傷范圍，深度2 m，左側頂角和底角損傷面積分別為12 m2和7 m2，深度均為3 m，頂板右側上方有3 m2損傷區；副巷左右幫損傷面積分別為1 m2和5 m2，深度分別為1 m和2 m，左頂角分布有面積4 m2、深度2 m的損傷區，底板分布有4 m2、深度1 m的損傷區。對比發現，在兩巷支護密度及支護強度相當的前提下，正巷圍巖的損傷面積及深度總體大于副巷，這主要是由于正巷開挖斷面大于副巷所致，因為圍巖損傷范圍與巷道斷面成正相關。此外，兩巷頂板的損傷很少，體現出較好的完整性，結合支護錨桿(錨索)的受力圖，見圖11，12，發現巷道頂板錨桿受到的軸向力明顯小于幫部錨桿，而頂板錨索受到的軸向力卻十分顯著，顯示巷道圍巖的控制主要是由頂錨索和幫錨桿來承擔的。具體看，錨索受到軸向拉力，軸力在索體中部最大，沿索體向兩端逐漸減小。正、副巷的錨索最大拉軸力分別達到0.768 kN和0.997 kN；幫錨桿亦受到軸向拉力，軸力在托盤緊固端附近最大，沿桿體向錨固端逐漸減小，顯示錨桿(索)受力未超過各自承載能力。模擬結果說明錨索支護有效地改善了頂板圍巖的受力狀態，使頂板出現倒拱形的巖體完整區，保證了頂板的穩定性，并且阻止了損傷沿頂角方向的擴展延伸，協同幫錨控制巷幫。該支護方案每排使用了3根錨索，多于常規巷道的一根或兩根，證明通過增加錨索數量提升軟弱巖體的抗壓剪強度對于厚煤層煤巷圍巖控制是一個有效途徑。

圖9 正巷圍巖損傷形態圖

圖10 副巷圍巖損傷形態圖

圖11 正巷錨桿錨索軸力分布圖

圖12 副巷錨桿錨索軸力分布圖

4 結 論

通過數值模擬對龐龐塔礦9號煤層正、副巷錨桿+錨索的圍巖控制效果進行分析，得到厚煤層回采巷道圍巖應力變化規律、位移分布情況、損傷區范圍以及錨桿(索)軸力分布，顯示支護后的巷道圍巖在幫1.5 m、頂5.5 m范圍內為應力降低區，巷幫移近量25～30 mm，頂板下沉量70～80 mm，圍巖破壞深度約2.0 m，錨桿(索)承載能力良好，表明提出的支護方案有效地利用了應力卸載區的力學特征，使巷道表面收斂量處于合理區間，顯著地減小了圍巖損傷區面積，特別是令巷道頂板呈現出完整巖體特性，保證了巷道的穩定性，使其符合生產使用要求。