大傾角煤層斜梯形巷道變形破壞特征及支護技術研究

劉旺海，李軍

(陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林市 719000)

大傾角煤層是指埋藏傾角為 35°～55°的煤層[1]，煤層儲量占15%～20%，其中優質焦煤和無煙煤約占50%以上，是我們國家不可缺少的稀有煤種[2]。近年來，針對大傾角斜梯形巷道變形破壞和支護技術方面的問題，已有科研工作者和工程技術人員分別從不同方面對大傾角煤層巷道圍巖變形破壞進行了相關研究，主要集中在急傾斜煤層重復采動下的圍巖破壞機理[3?4]、大傾角巷道變形破壞機理及支護[5?6]、巷道圍巖綜合控制技術[7?9]、錨索網在巷道支護中的實踐[10?11]、回采巷道頂板穩定性控制[12]、巷道底鼓破壞機理及穩定性控制[13]及巷道松動圈支護優化及合理的布置方式[14?15]，前人已有的研究成果提高了對大傾角煤層巷道方面的認知程度，并為該領域進一步的研究奠定了基礎，但鮮見針對大傾角斜梯形巷道變形破壞方面的研究。因此，研究大傾角斜梯形巷道圍巖變形破壞特征及支護方面的研究，可以為該類大傾角煤層安全高效開采提供理論基礎和科學依據。

1 工程概況

1.1 巷道地質概況

新疆焦煤集團2130 煤礦煤層平均傾角為45°，平均厚度為10 m 左右。巷道直接頂屬于煤矸互層頂板，單層夾矸在0.3 m 左右波動，夾矸間單層煤層在0.8 m 左右波動，夾矸以粉砂巖為主；巷道基本頂厚度為14 m，巖性為灰白色含中砂巖；巷道直接底厚度為3 m，巖性為碳質泥巖，運輸巷道和回風巷道均為實體煤層巷道。

1.2 巷道支護方式及效果分析

25213 運輸巷原有支護方式為錨桿加錨索聯合支護，如圖1 所示。巷道呈斜梯形布置，斜梯形巷道寬4 m，低幫高1.8 m，高幫高5.8 m。頂板布置9 根錨桿，規格為Ф22 mm×2400 mm，間排距為600 mm×600 mm，巷道頂板錨桿均垂直于頂板布置；低幫布置3 根錨桿，高幫布置9 根左旋螺紋鋼錨桿，間排距為600 mm×600 mm，錨桿預緊扭矩為300 N·m；頂板和高幫各布置2 根鋼絞線錨索，排距為1800 mm；采用5 mm 加工而成的100 mm×250 mm 的鐵托板，中心孔徑為Ф18 mm；選用10 號鐵絲編制而成的菱形網，網孔為50 mm×50 mm，采用Z3535 型樹脂錨固劑。

圖1 回采巷道原支護斷面

由于巷道開掘形態的不規則，造成了回采巷道在受載、變形與破壞等方面有明顯的方向性，且層狀結構弱面易發生剪切滑移。煤巖夾矸遇水會出現膨脹、離層、漏冒及網兜現象，部分金屬網破斷，巷道擠壓變形嚴重，中央錨索和錨桿會隨著巖層的整體下沉而下降，如圖2 所示。因此，巷道原支護方式有待進一步優化改進。

圖2 巷道頂板局部破壞狀態

2 斜梯形巷道變形破壞特征數值分析

2.1 數值模型的建立

以新疆焦煤集團2130 煤礦大傾角煤層斜梯形回采巷道為工程背景，采用有限元軟件FLAC3D建立數值模擬，如圖3 所示。模型選用“摩爾-庫倫”本構模型，采動煤巖體選用大應變模式，網格劃分為非均勻混合網格單元，模擬尺寸為長（X）×寬（Y）×高（Z）=50 m×100 m×50 m；未模擬到的上覆巖層補償載荷為2.25 MPa，在模型四周限制水平位移，底部限制垂直位移，以此來模擬井下真實的開采條件，其中煤巖力學參數見表1。

表1 煤巖力學參數

圖3 數值計算模型

2.2 斜梯形巷道圍巖變形破壞特征

2.2.1 圍巖應力分布特征

斜梯形巷道開挖后，垂直應力如圖4 所示，斜梯形巷道頂板垂直應力由于傾角效應呈非對稱性應力拱存在，頂板中上部應力釋放范圍明顯大于下部應力釋放范圍；底板應力釋放呈對稱性應力拱存在，且由于肩角的存在，應力集中現象出現在低幫側、高幫及低幫肩角處，最大應力集中值為7.4 MPa。水平應力如圖5 所示，斜梯形巷道水平應力釋放以高幫處最為顯著，其次是頂板和低幫，低幫側水平應力影響范圍最小，巷道肩角處水平應力最大值為2.97 MPa。

圖4 垂直應力

圖5 水平應力

2.2.2 巷道圍巖位移分布特征

斜梯形巷道位移如圖6 所示，最大垂直位移發生在巷道頂板處，且沿頂板偏上部位移量最明顯，最大垂直位移為287 mm；巷道底板底鼓顯現，其隆起的底鼓范圍主要集中在巷道底板正中央，低幫和高幫垂直位移不明顯。斜梯形巷道水平位移如圖7 所示，斜梯形巷道水平位移在高幫處最為明顯，最大水平位移量為255 mm；其次，頂板傾斜上部有明顯的水平位移，最大水平位移量為160 mm；低幫和底板處水平位移量不明顯。斜梯形巷道整體圍巖位移分布呈不均衡性分布特征，巷道呈現“頂板下挫，底板隆起”的變形破壞形式。

圖6 巷道垂直位移

圖7 巷道水平位移

2.2.3 巷道圍巖塑性區分布特征

巷道圍巖開挖后，圍巖將產生塑性破壞且向四周收斂，如圖8 所示。巷道頂、底板的破壞深度大于兩幫的破壞深度，且兩幫的塑性破壞方式和深度差異性較大。低幫塑性破壞形式以三角形狀的剪切破壞形式為主；巷道頂板、底板及高幫破壞形式以半橢圓狀的拉伸破壞為主，且在巷道肩角處有部分剪切破壞。總而言之，巷道圍巖塑性破壞中以拉伸破壞為主，剪切破壞為輔。

圖8 巷道塑性區

3 斜梯形巷道支護優化穩定性分析

3.1 松動圈測試及錨桿參數優化

鑒于2130 煤礦25213 工作面回采巷道在原支護方案情況下，現場實際巷道圍巖不穩定，變形破壞較嚴重，需再次優化巷道支護，測試斜梯形巷道圍巖松動圈。

25213 運輸巷采用地質雷達進行圍巖松動圈測定，為保證測試結果的可靠性，一般布置4 條測線，每條測線上布置3～4 個測站，間距約12 m 左右，每個測站依次布置在斜梯形巷道頂板、底板、低幫、高幫側。測試中巷道頂板、底板、低幫、高幫的圍巖松動圈范圍分別為1.0～2.4 m、0.5～1.8 m、0.3～1.2 m、1.0～2.0 m。由此可見，斜梯形巷道頂板松動圈范圍最大，巷道高幫和底板側松動圈次之，巷道低幫側松動圈最小。

25213 運輸巷圍巖松動圈范圍Lr為0～1.5 m，依據松動圈支護理論進行巷道支護設計[16]。

式中，L為錨桿長度，mm；L1為錨入穩定巖層的深度，一般取300～400 mm；L3為錨桿的外露長度，mm；k為安全系數，一般根據巷道的服務年限以及重要程度確定，k=1.0～2.5。

根據2130 煤礦實際情況，錨入巖層的深度取400 mm，回采巷道的服務年限較短，k取1.0，按照支護標準，錨桿外露長度為100 mm。因此，通過理論計算可得25213 工作面回采巷道錨桿支護最小長度為1500 mm，可見原支護方案里錨桿長度滿足巷道圍巖支護長度的基本要求。

3.2 錨桿支護優化效果

在原有支護方案不變的前提下，對錨桿參數的優化，可通過提高錨桿的材質屬性以及本身的直徑來提高錨桿的支護性能及強度，抵抗圍巖變形，優化后的材料力學性能如表2 所示。將金屬網優化后采用高強度金屬網，高強度金屬網強度與剛度大，護表能力強，可有效擴大錨桿的作用效果，且能夠有效阻止松動巖塊掉落，提高巷道圍巖多介質耦合支護系統的整體效果。

表2 支護材料力學性能優化前后參數

通過模擬原支護和優化后的效果分別見圖9、圖10。圍巖受采動應力影響下，當原支護直徑為18 mm 的螺紋鋼錨桿時，螺紋鋼錨桿受力為其屈服極限的69%；若直徑選用22 mm 的高強度螺紋鋼錨桿時，螺紋鋼錨桿受力為其屈服極限的82%。當原支護直徑為18 mm 的鋼絞線錨索時，鋼絞線錨索受力為其屈服極限的76%；若直徑選用20 mm 的高強度鋼絞線錨索時，鋼絞線錨索受力為其屈服極限的88%。

圖9 原支護錨桿屈服載荷

圖10 優化后錨桿屈服載荷

3.3 巷道圍巖支護優化效果

斜梯形巷道在無支護情況下，巷道圍巖變形破壞嚴重，對行人、運輸等將產生嚴重的威脅；加強對頂板及兩幫的支護，選用高強度錨桿、錨索材質，提高錨桿直徑，施加足夠的預應力。通過支護優化效果可以看出，塑性區范圍明顯減小，巷道圍巖環境明顯改善，巷道塑性區從小到大排列順序為“高強度錨桿、錨索聯合支護”＞“錨桿、錨索支護”＞“無支護”，如圖11～圖13 所示。

圖11 巷道無支護

圖12 巷道原支護

圖13 巷道優化后支護

通過塑性破壞狀態可以看出，無支護狀態情況下巷道圍巖變形破壞嚴重；采用原支護方案后，圍巖破壞范圍有所減小；進一步對原支護方案優化，采用高強度錨桿、錨索，當提高錨桿、錨索直徑后，圍巖變形破壞效果較原支護方案有所減少，優化后頂板下沉量較原支護減小了31.1%，底鼓量減小了33.3%，低幫位移減小了29.3%，高幫位移減小了43.6%。巷道圍巖支護效果對比見表3。因此，該支護方案能有效地控制巷道圍巖變形破壞。

表3 巷道圍巖支護效果對比

4 工程實踐效果檢驗

25213 工作面運輸巷及回風巷發生夾矸冒頂及圍巖變形破壞，后期及時采用支護優化后的新方案，且結合大傾角巷道變形破壞的特征，對易變形破壞的頂板、高幫及肩角關鍵部位進行重點支護，并全斷面采用金屬網噴漿封閉。通過現場監測效果可以看出，運輸巷頂底板移近量為438 mm，兩幫移近量為326 mm，見圖14；回風巷頂底板移近量為530 mm，兩幫移近量407 mm，見圖15。巷道圍巖變形破壞得到了明顯改善，提高了巷道圍巖穩定性，取得了良好的效果，保障了工作面的安全開采。

圖14 25213 運輸巷圍巖變形曲線

圖15 25213 回風巷圍巖變形曲線

5 結論

（1）大傾角煤層斜梯形巷道頂板應力、位移及塑性區分布具有明顯的非對稱性特征。斜梯形巷道在受載、變形與破壞等方面呈現出“頂板下挫，底板隆起”的變形破壞形式。斜梯形巷道頂、底板移近量明顯大于兩幫移近量，巷道圍巖塑性區破壞形式，低幫以三角形狀剪切破壞為主，頂板和高幫以半橢圓狀的拉伸破壞為主。

（2）針對大傾角煤層斜梯形巷道圍巖破壞特征，提出“高強度錨桿、錨索”聯合支護方案，通過恢復和強化圍巖的完整性和承載能力，與高預應力強力錨桿支護系統共同組成具有高強度、高抗變形能力的完整圍巖承載結構；對易變形破壞的頂板、高幫及肩角關鍵部位要重點加強控制。現場監測治理效果顯著，巷道圍巖整體穩定性得到基本控制。