石炭井二礦傾斜煤層巷道支護技術研究

沈 攀，陳新年，熊咸玉

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054；2.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610052)

煤炭是我國主要的能源，煤炭資源開采在我國經濟建設中占有不可或缺的地位。隨著煤炭資源的不斷開采，重心逐步向西部地區轉移[1]。西部地區傾斜煤層儲量在煤炭總儲量中占有相當大的比重，占比約為10.1%[2]。開展傾斜煤層巷道支護設計研究對西部地區煤炭資源安全、高效開采具有重要意義。

傾斜煤層巷道圍巖應力分布特征復雜多樣[3]，由于受到煤層傾角以及巷道周圍非均質的復雜巖性影響，在巷道開挖后周圍圍巖應力呈現非對稱分布，導致巷道也呈現出非對稱破壞，給巷道圍巖穩定性控制帶來很大難題。部分學者針對傾斜煤層巷道圍巖應力分布特征以及支護措施進行了大量研究，如王鵬舉等[4]通過采用多種手段相結合的方法對傾斜煤層巷道圍巖應力分布規律進行了研究，得出了巷道圍巖首先在傾斜方向鈍角處發生破壞；魏思祥等[5]通過數值模擬分析了不同傾角巷道圍巖在動載作用下的應力分布規律，得出巷道圍巖應力隨著煤層傾角的增加逐漸向低幫幫角出移動，最終聚集在低幫頂角處；鄭汝育等[6]運用相似模型試驗對不同傾角巷道開挖后地表沉降規律進行了研究，得出了不同傾角巷道開挖后的地表下沉曲線；樊克恭[7]通過大量現場實測、理論分析以及數值模擬研究了弱結構巷道圍巖破壞的主控性，并提出了非均稱控制機理與控制方法；吳海[8]利用三維物理模擬試驗進行了10°和90°兩種傾角的相似試驗，揭示了深部傾斜巖層巷道圍巖變形的非均稱特征；姜鵬飛等[9]采用數值模擬研究了不同預應力下軟巖巷道的錨桿支護效果，得出適當提高錨桿預應力有助于控制軟巖巷道圍巖變形；張日林[10]采用數值模擬和現場監測的方法對大斷面巷道支護技術進行了優化研究；侯濤[11]采用數值模擬對剛性支護和柔性支護效果進行了驗證；劉俸菁[12]研究了緩傾斜層狀圍巖巷道塑性區分布與破壞機制、層狀圍巖巷道塑性區擴展規律與特性，淺析了層狀圍巖巷道控制原理與原則;張杰等[13]通過對王洼煤礦區段煤柱進行應力和鉆孔窺視實測的技術手段，研究了緩傾斜煤層煤柱內部破壞情況；單仁亮[14]采用數值模擬的手段分析了大斷面半圓拱形巷道的圍巖應力場和位移場，得出了應力向巷道邊角處集中的規律，并對支護方案進行了優化。

通過大量研究可以看出對于傾斜煤層巷道而言，在巷道開挖后其應力分布表現出明顯的非對稱性，這種非對稱特征根據煤層傾角、巷道周圍非均質巖性以及地應力大小的不同表現出不同的分布特征，根據不同的應力分布特征采取針對性的支護措施對巷道圍巖穩定性控制起到重要作用。因此,本文結合石炭井二礦傾斜煤層巷道工程背景，展開了傾斜煤層巷道支護技術研究。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

石炭井二礦位于西部寧夏高山地區，地表巖石裸露，地面無建筑物及保護物，距地表垂直埋深449～520 m，煤層傾角27°。煤層平均厚度5.6 m，煤層頂板從下往上依次為泥巖、中粒砂巖、粉砂巖；煤層底板從上往下依次為泥巖、粉砂巖。巷道斷面確定為直角梯形巷道，巷道跨度4.5 m，低幫高3 m。

1.2 巷道變形破壞特征

對于石炭井二礦傾斜煤層直角梯形巷道而言，采用常規支護方案后，仍不能有效地控制巷道持續變形，石炭井二礦原有支護形式及現場巷道圍巖破壞狀態如圖1所示，巷道頂板出現明顯不均勻沉降，頂板肩角處破壞最為嚴重；兩幫大量片幫垮落，右幫(低幫)破壞遠大于左幫(高幫)；巷道圍巖局部的大面積變形破壞，整體呈現為非對稱破壞。

圖1 傾斜煤層直角梯形巷道圍巖變形破環Fig.1 Deformation of surrounding rock deformatio n right angle trapezoidal roadwa n inclined coal seam

根據彈塑性極限平衡理論以及巷道圍巖分布規律對石炭井二礦巷道兩幫圍巖塑性區分布情況進行理論分析。建立力學模型(圖2)，當兩幫煤壁采用錨桿支護后，在巷道兩幫從淺到深將會出現支護區(LS)、塑性區(LP)、彈性區(LE)以及深部未受到開挖影響的原巖應力區。

圖2 幫部力學模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mechanica odel of the gang

通過分析可得出圍巖塑性區范圍見式(1)。

(1)

式中：m為兩幫高度，m；φ、C分別為煤層內摩擦角和黏聚力；k為應力集中系數；H為埋深，m；γ為煤的容重；A為測壓系數。

由式(1)可知，影響緩傾斜軟煤層直角梯形巷道兩幫塑性區范圍差異的主要因素是巷道兩幫高度即臨空煤層厚度m。在直角梯形巷道中低幫高度小于高幫，因此低幫塑性區范圍以及應力集中區域小于高幫。大量應力在低幫淺部以及頂板靠近低幫側集中，加之巷道原有支護形式并未采取相應針對性措施，從而導致巷道兩幫及頂板出現嚴重非對稱破壞。

2 巷道圍巖應力分布數值模擬分析

2.1 計算模型的建立

在理論分析以及現場破壞特征分析的基礎上，根據石炭井二礦區的工程地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件，對石炭井二礦傾斜煤層巷道圍巖應力分布規律進行進一步的研究，為支護方案的設計提供依據。 以摩爾-庫侖準則為破壞準則建立傾角為27°的計算模型。 模型尺寸為40 m×40 m×40 m，左右邊界水平固定，上下邊界垂直固定，在模型頂面施加10 MPa豎向應力來模擬地應力的作用，分析直角梯形巷道圍巖應力非對稱分布特征。

2.2 結果分析

1) 巷道圍巖應力分布。圖3為傾斜煤層巷道圍巖應力分布。由圖3可知，巷道圍巖應力分布呈現非對稱特征，頂板及底板圍巖豎向應力集中區域整體向巷道低幫側偏斜；巷道圍巖水平應力主要集中分布在巷道四個尖角處，與煤層傾角相同方向對稱的兩尖角處表現為明顯的壓應力區，而相反方向兩尖角處則表現為明顯的拉應力區，且壓應力和拉應力的最大值均出現在巷道頂板的兩尖角處。

圖3 巷道應力分布Fig.3 Roadway stress distribution

圖4 巷道位移分布Fig.4 Roadway displacement distribution

2) 巷道圍巖位移分布。圖4為緩傾斜煤層巷道位移分布。由圖4可知，巷道頂板和底板變形較大的區域集中在右幫側，而巷道兩幫的變形集中在高幫側，且巷道高幫位移比低幫大40～50 mm，其主要是由于兩幫高度的差異導致應力分布不均所致。

2.3 非對稱支護設計原則

根據石炭井二礦現場變形破壞特征以及傾斜煤層直角梯形巷道圍巖應力數值模擬結果，針對石炭井二礦傾斜煤層巷道非對稱應力分布特征以及非對稱塑性區范圍，提出針對性的非對稱支護設計原則。其中，巷道頂板擬采用錨桿(索)聯合支護的手段進行穩定性控制，錨桿布置采用傾斜式安裝，向低幫傾斜，以便于加強對頂板低幫側高應力集中的控制，適當加密錨桿安裝；巷道兩幫圍巖應采取非對稱的支護參數進行穩定性控制，低幫由于應力集中較大，其相同面積上錨桿安裝密度應適當增大，以提供對兩幫非對稱的支護阻力來減弱巷道兩幫非對稱應力對巷道穩定性的影響。

3 石炭井二礦支護設計及效果分析

3.1 支護方案設計

根據現場破壞狀態及數值模擬分析結果，提出了針對石炭井二礦傾斜煤層巷道圍巖穩定性控制的非對稱支護方案，具體參數為：頂錨桿為直徑20 mm螺紋鋼筋，長度2.7 m，間排距均為0.8 m；幫錨桿為直徑16 mm圓鋼，長度2.0 m；高幫間距為1 m，排距為0.8 m；低幫間距為0.8 m，排距為0.8 m；四個幫角進行加強支護，分別設立直徑20 mm螺紋鋼筋。錨索采用直徑15.24 mm鋼絞線錨索，長度為5 m，外露長度0.25 m，水平間距分別為1.8 m和1.4 m，排距2.4 m。

3.2 支護模型建立

在建立了石炭井二礦傾斜煤巷道的開挖模型的基礎上，根據錨桿、錨索參數確定合適的數值模擬支護參數對巷道模型進行開挖支護模擬即可。

3.3 結果分析

1) 支護后巷道應力分布。圖5為巷道支護后應力云圖。由圖5可知，巷道支護前后應力分布差異明顯，對巷道進行支護后，巷道圍巖的豎向應力分布均勻，其非對稱特征得到明顯改善，使原本偏斜的應力非對稱分布向巷道頂底板中部轉移；其水平應力分布狀態差異較大，各邊角處應力集中差異顯著減小，說明采用具有針對性的非對稱支護方案能有效解決巷道應力非對稱問題。這種變化十分有利于巷道圍巖的穩定，說明在錨桿的預應力作用下，巷道邊角處應力集中的發展及轉移得到有效控制，改善了巷道圍巖的應力狀態，使巷道圍巖應力分布均勻，從而提高了巷道的整體穩定性。

圖5 支護后應力云圖Fig.5 Stress cloud after support

2) 支護后巷道圍巖位移分析。圖6為巷道支護后位移云圖，與支護前對比分析可以看出，巷道在支護后頂板最大沉降量為65.2 mm，底板最大隆起為42.8 mm，高幫最大位移為45 mm，低幫最大位移為29.3 mm，巷道支護前后圍巖變形差異明顯。這說明在支護方案實施后巷道非對稱應力得到緩解，應力逐漸趨于均布，其變形破壞得到有效控制，在錨桿(索)共同作用下將巷道表面松散圍巖連接成為一個整體并固定在深部穩定巖層中，使得巷道整體穩定性得到提高。

通過對比分析表明，支護后的變形量也達到了給定的設計規范值，說明該支護方案能有效能達到控制圍巖穩定性的目的。

4 工程應用

本文提出了石炭井二礦傾斜煤層直角梯形巷道的支護方案，經過數值模擬分析驗證后，在石炭井二礦2474綜采工作面巷道進行現場實施，在巷道圍巖50 m處的斷面布置監測站對巷道圍巖表面位移(頂板下沉、兩幫相對位移)、錨桿受力狀態進行監測，監測結果見圖7和圖8。

圖6 支護后位移云圖Fig.6 Post-displacement cloud map

圖7 斷面巷道變形量圖Fig.7 Section roadway deformation map

圖8 斷面錨桿荷載Fig.8 Section bolt load

由圖7可知，頂板最大沉降量為98 mm，12 d后達到基本穩定，最終沉降速率不超過0.1 mm/d；兩幫最大相對收斂量為72 mm，15 d后達到基本穩定，最終收斂速率不超過0.08 mm/d。由圖8可知，錨桿荷載最大值為35 kN，20 d后錨桿受力趨于穩定，錨桿荷載變化速率不超過0.4 kN/d。通過對監測結果進行對比分析可以看出，巷道頂板下沉量、兩幫收斂量、錨桿受力均在合理范圍之內，達到了控制圍巖穩定性的目的，說明了前期數值模型建立的合理性及支護方案的可靠性。

5 結 論

1) 傾斜煤層直角梯形巷道圍巖應力呈現出明顯的非對稱分布特征：頂底板豎向應力向低幫側偏斜，水平應力在巷道尖角處集中，在頂板兩側尖角處表現得尤為突出。

2) 結合現場破壞特征以及數值模擬分析結果提出了石炭井二礦傾斜煤層巷道支護方案，對低幫及相鄰頂板-頂角處進行了加密支護處理。

3) 采用數值模擬結合現場實施對支護方案進行驗證，結果表明該方案能有效控制傾斜煤層直角梯形巷道的非對稱變形破壞；根據巷道圍巖應力非對稱分布規律提出針對性的支護方案對傾斜煤層巷道圍巖穩定性控制具有重要作用。