綜采工作面回撤通道圍巖支護穩定性分析

宋振鐸，遲煥磊，劉思程，侯慧錦，劉佳金

(1.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京 100011； 2.中煤華晉集團有限公司王家嶺分公司，山西 河津 043300)

煤炭作為一種重要的能源，對于經濟發展、生產生活具有重要作用，煤炭在開采過程中，其開采效率受到多種因素的影響[1]。我國煤炭在開采過程中，如果巖體穩定性較差，強度變化較大，則會對開采生產的順利進行造成影響[2]。綜采工作面回撤通道是煤礦生產過程中重要部分，工作面的接替、綜采工作面的搬家、倒面是煤礦生產過程中的重要工作內容[3]，因此，回撤通道是實現設備回撤的主要通道，其對于生產的效率和產量存在直接關聯。由于煤層的埋藏條件存在一定差異，當工作面不斷接近停采線時，回撤通道圍巖支護在工作面超前支承壓力的影響下[4]，容易發生巷道頂板的位移和變形，甚至發生斷裂，進而引發巷道圍巖變形，對于設備的正常回撤造成極大影響，甚至發生回撤安全問題[5]。因此，回撤通道圍巖支護的穩定性對于回撤工作的正常和安全進行均具有重要意義。

目前相關領域學者針對圍巖穩定性進行了研究。關于巷道圍巖方面，采用錨固力學效應，分析巷道圍巖穩定性[6]。針對隧道圍巖方面，利用臨界穩定斷面，分析隧道圍巖穩定性[7]。基于上述分析，本文為全面分析綜采工作面回撤通道圍巖支護穩定性，以某地區的典型淺埋煤層為研究對象，采用三維有限差分程序對開采末期回撤通道的圍巖支護穩定性展開分析。

1 研究區概況

1.1 地質特征

研究區的地質情況為褶皺構造，并且伴生一級的小斷裂，煤層主要分為偽頂層、直接頂層、基本頂層、底板層，各層的地質情況如下。

(1)煤層的偽頂。主要由粉砂巖和炭質泥巖組成，整體巖性呈現灰黑色、呈薄層狀態，并且存在植物化石等，泥質膠結，其厚度為0～0.67 m，平均厚0.32 m。

(2)直接頂。主要由細砂巖組成，整體巖性呈現深、淺灰色，呈中厚層狀態，并且存在石英、長石以及暗色的礦物質[8]；此外，該層中夾有較薄的中細粒砂巖、粉砂巖以及煤線、植物化石等，其厚度0.936～1.165 m，平均厚1.020 m，屬于Ⅰ類頂板，穩定性不理想，強度較差。

(3)基本頂。主要包含粉砂巖，整體巖性呈現深、淺灰色，呈厚層狀態。其中夾有中細粒砂巖[9]、植物化石等，其厚度為0.671～3.012 m，平均厚1.842 m，該層具備較好的穩定性，較為堅硬，為Ⅱ級頂板。

(4)底板。由砂質和炭質2種泥巖、根土巖組成，其厚度為1.147～3.066 m，平均厚2.005 m，其遇水后容易發生膨脹。

1.2 工作面概況

綜采工作面高位的平均煤厚5.22 m，走向長2.21 km，傾向長300 m，平均埋深136 m，煤層傾角為0°～3.2°。現場測量得出綜采工作面底板巖層的抗壓、抗拉強度分別為21.4 MPa和0.95 MPa；頂板巖層抗壓、抗拉強度分別為16.31 MPa和0.87 MPa。因此，開采過程中頂板穩定性較差[10]，對于頂板的控制難度較大，對于設備回撤以及工作面的開采效率造成較大影響[11]。各層的力學參數見表1。

表1 各層位置的力學參數Tab.1 Mechanical parameters of each layer

綜采工作面地層結構如圖1所示。

圖1 綜采工作面地層結構示意Fig.1 Schematic of stratum structure of fully-mechanized mining face

準備綜采工作前，在終采線附近掘出2條主、輔回撤通道，起到快速回撤、維護設備安全的作用，如圖2所示。

在綜采結束階段，受開采活動的影響，礦井壓力逐漸增大，易產生塌陷、片幫等現象，甚至出現冒頂事故。所以，在特殊情況下，可以將回撤通道作為保留巷道。

圖2 回撤通道布置Fig.2 Layout of withdrawal passage

綜采工作面長度為300 m，根據經驗判斷，在回采過程中，因巷道存在著嚴重的頂板損壞現象，需要對其進行翻修，降低了采場的回撤速率。頂板破壞照片如圖3所示。

圖3 頂板破壞照片Fig.3 Photo of roof damage

將預掘雙回撤通道技術應用于綜采工作面中，主、輔回撤巷道截面尺寸分別為5.4 m×2.6 m和5.2 m×2.4 m，留25 m寬的保護煤柱于兩側回撤通道之間。采用錨網索對兩側回撤通道聯合支護。

1.3 圍巖支護結構

對綜采工作面的地質特征以及工作面的實際情況分析后得出，該工作面在開采末期[12]，會出現頂板大范圍冒落、發生失穩。因此，結合實際情況和設備回撤需求[13]，確定采用錨網索支護結構完成回撤通道圍巖的支護。支護采用鋼絞線為主，其尺寸為φ15.2 mm×7 300 mm，在每一排均設置2個錨索，并對錨桿加固后形成組合梁[14]，采用懸吊的方式將其置于巖層中，頂部采用錨桿和錨索—金屬網絡支護，正幫以及負幫分別采用玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿、錨固詳情見表2。

表2 回撤通道煤壁支護的錨桿、錨固詳情Tab.2 Bolts and anchoring details of coal wall support in withdrawal passage

2 回撤通道圍巖支護穩定性分析

2.1 穩定性分析方法

2.1.1 模擬分析原理

采用三維有限差分程序(Fast Lagrangian Analysis of Continua，FLAC)完成回撤通道圍巖支護結構的穩定性分析，FLAC支持交互的輸入方式[15]，能夠依據輸入的指令完成命令文件的讀寫，應用簡單、便捷。FLAC數值模擬模型如圖4所示。

圖4 FLAC數值模擬模型Fig.4 FLAC numerical simulation model

FLAC能夠完成地質、巖石等受力特性的模擬和分析[16]，在分析過程中，采用擬合的方式完成三維網格中的多面體單元的處理，使模擬結果與實際結果一致，模擬分析原理如圖5所示。

圖5 三維有限差分程序模擬分析原理Fig.5 Analysis principle of 3D finite difference program simulation

FLAC在模擬分析時，采用線性或者非線性完成單元材料模型構建。構建模型通過網絡的移動和變形[17]，模擬出材料在受到外力影響下發生的變形結果；模擬計算時，場的控制微分方程采用有限差分格完成求解，獲取材料的彈塑性[18]、變形等分析。FLAC在模擬計算時，速度和位移的計算通過運動方程完成，在此基礎上得出應變率，獲取新的應力，設定每一個步驟時，即為回線的一個循環過程，可靠獲取巖層、接觸面、錨桿等對象的模擬結果，并且可得出應力場、位移場的結果。FLAC在模擬計算時，能夠依據模擬對象的實際情況，完成位移和載荷邊界的設定[19]；并且自動完成網格劃分。模擬計算結果可采用多種方式呈現，例如應力云圖、位移直線云圖和分布圖、矢量圖等。

2.1.2 模擬計算巖土力學參數

采用FLAC模擬綜采工作面回撤通道時，需對煤層整個的開采過程中實行模擬，獲取工作面圍巖的應力和位移場的分布特征等[20]，以此獲取每一個單元的應力和應變結果。模擬計算時所需的巖體物理力學參數見表3。

表3 模擬計算的巖體力學參數Tab.3 Simulated mechanical parameters of rock mass

2.2 回撤通道應力分布分析

記錄綜采工作面與主回撤通道距離每相差5 m情況，分析回撤通道周圍應力分布情況。不同回撤通道與工作面距離時的通道應力分布如圖6所示。

圖6 不同回撤通道與工作面距離時的通道應力分布Fig.6 Channel stress distribution of passage with different distances between withdrawal passage and working face

由圖6可知，當綜采工作面與主回撤通道相差20 m時，主回撤通道受采動壓力和集中應力的雙重影響，呈“非對稱雙峰值”狀態，隨著壓力的增強變為“對稱單峰”態，但輔回撤通道區域狀態不會隨著應力場數值增加而改變。回撤通道圍巖應力云圖如圖7所示。

根據圖7可知，區域應力“非對稱雙峰值”分布隨綜采工作面推進逐步增加，回撤通道在應力環境下，易造成圍巖失穩，需要對回撤通道頂板及幫部加強支護。

圖7 回撤通道圍巖應力云圖Fig.7 Nephogram of surrounding rock stress of withdrawal passage

2.3 回撤通道的圍巖變形結果分析

獲取綜合開采面正常開采過程中，回撤通道頂板、底板和側面發生的變形結果，見表4。

表4 回撤通道頂板、底板和側面發生的變形結果Tab.4 Deformation results of the roof，floor plate and side of withdrawal passage

分析表4結果可知，隨著回撤通道與工作面距離的逐漸增加，回撤通道圍巖的變形結果逐漸下降，其中頂板的變形結果最明顯，最高變形達到52.2 mm；底板的變形結果最小。回撤通道圍巖變形云圖如圖8所示。根據表4、圖8可知，隨著開采工作面的推進，回撤通道圍巖發生動態性的變化。因此，為保證回撤通道的正常使用，提升開采效率，需設置圍巖支護結構。

2.4 礦壓結果分析

獲取圍巖支護結構安裝前、后，錨索梁絞頂在施工前、后2個階段中，頂板發生位移的結果見表5。

圖8 回撤通道圍巖變形云圖Fig.8 Nephogram of surrounding rock deformation of withdrawal passage

表5 施工前、后錨索梁絞頂頂板位移的結果Tab.5 Displacement results of stranded roof of anchor cable beam before and after construction

分析表5結果可知，圍巖支護結構施工前，頂板的淺層高度值和深度高度值發生一定上升，表示此時頂板發生明顯位移，淺層高度和深層高度最大位移量分別為5.4、15.6 mm；完成圍巖支護施工后，位移結果的變化較小，呈現平穩狀態。表示完成回撤通道圍巖支護施工后，頂板發生的位移極小。因此，采用錨網索支護結構完成回撤通道圍巖的支護，具備良好的效果，能夠有效提升頂板的支護效果。

2.5 液壓支架工作阻力分析

主回撤通道支護采用四柱掩護液壓支架，設置額定工作阻力95 MN、活柱縮量2.05 m，工作面距主回撤通道聚類同支架工作阻力的波動效果見表6。

表6 支架工作阻力波動情況Tab.6 Fluctuation of support working resistance

分析表6可得，當主回撤通道同工作面間的距離大約是8.5 m前，支架工作阻力值不變。隨著支架工作阻力存在加大的波動幅度，快速提升到最高值，并且在最高值附近保持平穩。說明，當開采工作面和主回撤通道間的距離是8.5 m，主回撤巷道圍巖應力提升，巷道支架承載的壓力提高。

2.6 主回撤通道支護效果數值分析

回撤通道原始支護形式如1.3小節所述，巷道開挖后改進支護加固技術，采用馬麗散加固頂板，支撐頂板采用的支架是液壓支架。在實施工作面開采，巷道受動壓干擾情況下，巷道頂底板以及兩幫的變形量如圖9所示。

主回撤通道的原支護形式是頂板錨網索支護和負幫錨網支護，由圖9可知，改進后的現支護方案，可降低巷道頂底板的移近量以及兩幫移近量。說明改進的支護加固方案，使得巷道主動支護強度以及巷道圍巖承載性能增強，可有效的實現回撤通道圍巖穩定控制。

3 結論

回撤通道是綜采工作面接替的關鍵環節，其直接影響煤礦生產的效率和安全。但是，回撤通道在圍巖發生位移和變形后，影響回撤通道的正常使用。因此，為保證回撤通道的正常、安全使用，需完成圍巖支護施工。圍巖支護的穩定性則尤為重要，本文以某煤礦為研究對象，采用FLAC方法完成回撤通道模擬，計算分析圍巖支護結構的穩定性。

(1)通過FLAC對地質、巖石等受力特性進行模擬和分析，得出應力場、位移場的結果，使本文方法具有可靠性，在實際應用過程中可以提高煤礦生產效率。

(2)回撤通道易受應力的影響造成圍巖失穩，導致頂板變形、位移。采用改進的支護加固方案，可提高巷道圍巖的穩定性和巷道主動支護強度。

(3)圍巖支護結構的施工，需結合綜采工作面和實際使用需求完成，本文方法能夠完成回撤通道圍巖支護結構的模擬，并且可靠計算出其穩定性的變化結果，為綜采生產提供可靠依據。