掘進工作面空頂區圍巖穩定性分析

＊田柯 劉彬禹 馬一多 李建 張峻康

（1.山西能源學院礦業工程系 山西 030600 2.中國礦業大學（北京）能源于礦業學院 北京 100083 3.中國航天建設集團有限公司 北京 100071）

20世紀80年代，由于煤礦設計的變革，采取了降低集中巷的布局形式，在煤層內設置了開拓巷、采準巷，使巖巷的工程量逐漸減少。自2008年起，我國國有重點礦井的年掘進總量已達8000km以上，70%左右是煤巷，20%是半煤巖巷10%是全巖巷。煤巖巷道施工是一種多工序交替進行的復雜施工技術，主要由五個關鍵環節構成：破、裝、運、支、測。掘進速度的高低，既與掘進裝備的現代化水平有關，又與各生產工藝之間的緊密配合密切相關。

近幾年，由于礦山綜合機械化水平的提高，采掘失衡的矛盾日益突出，因此，煤巷的快速掘進已成為礦山安全、高效生產的關鍵。馬長樂[1]為解決余吾煤業在高應力、高瓦斯、軟煤層等復雜地質環境下難題，采用單巷掘進技術并對其進行了優化，使其工作周期縮短；楊仁樹[2]為提高巷道掘進速度，分析現場出現的問題并提出解決方案，實現了巷道安全快速掘進；孟維波[3]對影響采空頂區頂板結構穩定的因素進行了分析，為空頂區復雜力學條件下的巷道變形及頂板崩塌提供了理論依據。索永錄[4]對王家山礦井大傾角綜放作業面平巷綜采效果進行了分析；肖同強[5]分析了張雙樓煤礦原綜掘工藝主要存在的問題；杜啟軍[6]從地質條件、掘進和支護設備、支護參數和施工工藝4個方面分析了影響林南倉煤礦掘進的因素。本文以掘進巷道空頂區為切入點，對采場空頂區頂板圍巖結構穩定性的影響因素進行了研究[7-9]。

1.工程背景

地質條件：范各莊井田位于河北省唐山市古冶區，是開平煤礦的一部分。礦區地點：東經108°8′，北緯39°33′。該礦的鐵路線與林西礦、京山線、古冶站相連。該礦區已查明資源量47335.5萬噸，其中已探明資源量20174.3萬噸（其中煤炭13009.6萬噸，損失煤7164.7萬噸），保有資源儲量7161萬噸。

范各莊井田在開平向斜東南翼南端，范各莊井田由井田北翼的塔坨向斜和南翼的范各莊向斜構成，北翼為青龍山西向，其主斜軸在古冶北部向東西向傾斜，從而形成了一種由南向北的應力場。整個塔坨的軸線是東西向的，其中心位置是北部的弧形。因為塔坨的傾斜效應，北二背斜和井口傾斜得以形成，并且在軸線附近存在一條微型斷層。范各莊的縱軸大致呈西北方向，軸心呈馬鞍形，沿中軸方向有兩個較小的盆地。井田內大斷裂構造以范各莊斜區南緣為主，以及F5正斷層為主的斷層帶共同構成開平煤田邊界；另一組為F4、F11、F1，各有5～30m。另外，在井田中央還發現有SN型的斷裂構造，主要以F0斷層為主。范各莊井田內的區域分界受其褶皺和主要斷層構造的制約，井田自然地分為若干個構造單元。

本井田所揭露的地質構造，總體來看，該礦區區內主要以斷裂構造為主要特征（圖1），塔坨斜區和范各莊斜區的構造特征比較復雜，其構造多與區域構造有關，并有一定的規律性。井田中部的單斜帶構造比較簡單，構造演化日趨復雜，斷層數目增多，剖面形狀也多種多樣。

依據構造特征及樣式，將該礦井井田劃分為如圖1的三個構造區，即位于井田南部的范各莊向斜區、北部的塔坨向斜區和中部的單斜構造區。

區內發育有斷裂及褶皺構造，北部塌陷區主要的發育特征為陷落柱、褶皺和小型斷裂構造，中部區域地層走向變化較小，地層傾角由南向北增大，為8°～24°，通常在15°以下。南部區域的主要特征為F5大斷層和范各莊向斜。

圖1 井田構造綱要及構造單元劃分圖

為了確定不同影響因素對于空頂區巷道圍巖穩定性的影響，通過數值模擬的方法進行研究以分析不同影響因素對空頂區巷道及迎頭穩定性的影響規律。

2.范各莊煤礦異型巷道數值模擬分析

(1)范各莊煤礦3X51S掘進巷道模型建立

采用數值模擬軟件，通過生成巖層網格、定義計算本構關系、網格屬性賦值、定義邊界約束條件等步驟生成數值計算模型。

以范各莊礦3X51S掘進工作面順槽作為研究對象，地面標高+23.04m～+24.32m，工作面標高-662.0～-608.0m。5號煤層屬于簡易結構的薄煤層，其厚度有很大的波動。在南部，其厚度最高，達到1.79m，而在北部，其厚度則最低，只有0.48m，平均煤層厚度為1.10m。從北到南，煤層的傾斜角度逐步減小，其平均值為13°。

巷道掘進會引起圍巖應力的調整，但其影響范圍并非無限大，而是局限于巷道周圍約5倍巷寬的范圍內，因此建立模型時可適當縮小計算分析的區域，重點對巷道掘進影響區域進行研究。此外，由于煤層的平均傾角約為13°，對巷道掘進會產生一定影響。考慮到邊界約束條件對計算結果的影響，建立如圖2所示的模型，該模型長×寬×高=60m×80m×45m，巷道尺寸5.4m×3.6m，巷道在煤層底板上方掘進。

圖2 范各莊礦數值計算模型

位移邊界：模型四周邊界施加水平約束，模型底部邊界固定，上部邊界為自由。

應力邊界：模型四周邊界采用三向應力約束條件，應力為等效埋深大小，頂部施加等效均布載荷15MPa（600m的巖層重量）的垂直應力，相當于600m厚上覆巖層的重量，水平應力sxx為18.75MPa，syy為15MPa。

在計算過程中，采用煤巖體力學參數與相應地質報告及測試結果，煤巖層的力學參數如表1。圖3所示為模型的初始平衡。

表1 范各莊礦模型各巖層物理力學參數

續表

圖3 數值模擬初始平衡

(2)支護強度對巷道及迎頭圍巖穩定性的影響規律

頂板的支護形式多種多樣，其變形規律同樣不同。雖然支護形式多種多樣，如錨網索、錨索梁、架棚等，但頂板的控制效果并不是多種支護形式簡單的累加，在某些條件下，相同的支護效果可能采用的支護形式也不同。對此，需要以支護強度來代替支護形式對頂板控制效果的影響。

圖4 不同支護強度時巷道及迎頭圍巖塑性區發育分布

不同的支護強度下巷道圍巖的塑性區發育分布圖如圖4所示，在錨桿索間排距不變的條件下，僅改變預緊力大小來控制支護強度。從圖4（a）～（c）可以看出，巷道圍巖的破壞范圍及深度隨著支護強度的增加而不斷減小，在高強度與無支護的模擬對比下，巷道兩幫及頂底板減小破壞深度均為0.4m，效果明顯，因此，支護結構強度增加會提高巷道穩定性。而從圖4（d）～（f）可以看出，巷道迎頭的塑性區受支護強度變化的影響較小，破壞深度約為1.2m。

巖體的承載力、狀態由巖體內應力大小體現，圖5（d）～（f）表現出超前應力峰值大小、位置沒有變化，可見支護強度對于掘進迎頭前方超前支撐應力分布影響不大，但是巷道圍巖應力分布有很大差異，支護強度變大，巷道頂板應力隨之增加，由0.104MPa拉應力變為0.162MPa壓應力，此時說明巷道變為不穩定狀態，隨著拉應力增大，巖石抗拉強度低于拉應力時，圍巖發生拉伸破壞，冒頂的危害會隨時發生。為了巷道的穩定，需要加強支護，減小巷道兩幫應力集中程度，頂、底板低應力區范圍隨著支護強度變大而變小，兩幫應力集中區同樣如此，說明對巷道的整體穩定有利，圍巖應力狀態并非與支護強度的增加呈正比，相關性較弱，高、低支護強度相比，頂板垂直應力增幅0.6‰，由0.162MP變到0.1621MPa，兩幫峰值垂直應力減幅為3.3%，由21.6MPa變到20.9MPa，變化幅度很小。

圖5 不同支護強度時巷道及迎頭垂直應力分布云圖

(3)空頂距對巷道及迎頭圍巖穩定性影響規律

設計空頂距為1.6m、3.2m、4.8m、6.4m、8m及9.6m六種工況，巷道開挖32m。

①空頂距對巷道及迎頭塑性區發育狀態的影響規律

隨著頂板支護滯后迎頭距離的不同，巷道空頂區及迎頭的塑性區發育規律也發生變化，圖6為空頂距不同時，巷道軸向及徑向圍巖塑性區的發育分布圖。

圖6 不同空頂距時巷道及迎頭塑性區發育分布圖

圍巖塑性區的發育范圍表征了圍巖體的受力和承載狀態，巷道掘進迎頭和空頂區的圍巖塑性區受迎頭支撐結構、滯后支護強度、頂板上覆載荷三個因素影響。由于頂板上覆載荷和迎頭支撐結構在給定條件下不再變化，因此迎頭煤體的塑性區發育狀態不受空頂距離影響，如圖6（g）～（l）所示，迎頭破壞深度為1.2m。而滯后支護的強度及其與迎頭支撐結構的配合狀態確定了空頂區巷道圍巖的位移量及破壞狀態，由圖6（a）～（f）可知，塑性區發育演化規律與空頂區巷道圍巖的位移量演化規律相似。

A.巷道深處塑性區發育受圍巖結構及其自承能力影響，空頂距離對其不產生影響；淺部破壞狀態與空頂距離及滯后支護形式相關，隨空頂距離增加，空頂范圍的頂板塑性區發育深度逐漸增加。

B.空頂距離的增大使得頂板作用于幫部壓力的增大，幫頂協同變形，加劇幫部破壞，導致圍巖松動圈的半徑增加，上幫破壞深度由1.2m（空頂距離0～3.2m）增至1.6m（空頂距離4.8～8.0m）增至2.0m（空頂距離9.6m）；頂板破壞深度由1.2m（空頂距離0～3.2m）增至1.8m（空頂距離4.8m）增至2.2m（空頂距離6.4m）增至2.4m（空頂距離8～9.6m）。松動圈半徑增大弱化了支護結構的可靠錨固基礎，尤其是常用規格錨桿支護（錨桿長度1.8～2.8m），圍巖塑性區的發育范圍表征了圍巖體的受力和承載狀態，巷道掘進迎頭和空頂區的圍巖塑性區受迎頭支撐結構、滯后支護強度、頂板上覆載荷三個因素影響，隨空頂距離增加，空頂范圍的頂板塑性區發育深度逐漸增加，因此空頂距離不宜過大。

②空頂距對巷道及迎頭垂直應力分布的影響規律

自巷道圍巖表面向水平兩側及迎頭方向依次出現應力降低區、高支承壓力區和應力恢復區，而垂直方向上則只有應力降低區和應力恢復區。

如圖7（g）～（l）所示，空頂區距離變化對迎頭超前支承應力的分布影響較小，為20.6MPa，主要受迎頭支撐結構本身影響，對巷道頂底板及兩幫應力的變化影響則較為明顯。如圖7（a）～（f）所示，隨著空頂距增大，兩幫垂直應力峰值從20.91MPa增大為24.06MPa，增幅15.1%，最大應力集中系數為1.6；頂底板垂直應力由壓應力變為拉應力，且應力降低區范圍不斷增大，圍巖自穩能力不斷降低，當空頂距為1.6m和3.2m時，頂底板處于壓應力狀態；當空頂距為4.8～9.6m時，頂底板處于拉應力狀態，拉應力從0.104MPa增大為0.133MPa，增幅27.9%。

圖7 不同空頂距時巷道及迎頭垂直應力分布云圖

圖8 不同煤（巖）層傾角時范各莊礦數值計算模型

綜上所述，隨著空頂距離的增加，頂板承載能力變弱，造成頂板壓力向下部兩幫轉移，并向幫部深處延伸，兩幫淺部圍巖強度弱化程度高，不能有效承載頂部載荷，有效承載體為深部巖體承載，應力集中程度高，而幫部淺部圍巖雖處于低應力環境，但其變形受頂底板壓縮，仍會發生持續顯著變形，不僅增大了頂板巖梁的有效跨度，還弱化了可靠錨桿支護的基礎，這樣頂板及兩幫變形會不斷增大，產生惡性循環。因此，空頂距應小于3.2m，使巷道頂底板一直處于壓應力狀態，承載能力強，有利于巷道整體的穩定。

(4)煤(巖)層傾角對巷道及迎頭圍巖穩定性的影響規律

根據煤層傾角的劃分，設計為近水平煤層0°、緩斜煤層13°、傾斜煤層30°和急傾斜煤層50°共4種工況，分別建立范各莊礦數值模型如圖8所示，網格劃分大小一致。煤層傾角不同，一方面造成煤巖層內部應力傳遞路徑不同，另一方面巷道頂底板及兩幫巖性發生改變，二者共同對巷道及迎頭圍巖穩定性造成影響。

(5)煤(巖)層傾角對巷道及迎頭塑性區發育狀態的影響規律

如圖9所示，隨著煤（巖）層傾角增大，巷道頂底板及兩幫圍巖塑性區發育形態主要隨煤體和巖體位置不同而發生變化，當煤層傾角小于45°時，頂底板巖性為巖體，則圍巖塑性區破壞深度和范圍相對較小；當煤層傾角大于45°后，頂底板巖性變為煤體，則圍巖塑性區破壞深度和范圍相對增大，頂板塑性區從1.4m增大為2.1m，增幅50%，且頂板巖性為煤體的位置產生拉伸破壞。迎頭塑性區受煤（巖）層傾角巖性影響較小，破壞深度為1.2m。

圖9 不同煤（巖）層傾角時巷道及迎頭圍巖塑性區發育分布

綜上所述，煤（巖）層傾角時巷道及迎頭圍巖穩定性影響有限，對于傾角小于20°～25°的煤巖層，巷道圍巖穩定較好，最大空頂距相對較大。5#煤層傾角為7°～19°，從理論及數值模擬分析結果表明，巷道最大空頂距可以達到3.6m（不考慮安全系數）。

3.結論

（1）支撐力對頂板、底板和兩幫的承載狀態有非常顯著的影響。支撐力越高，支撐結構就越能承受荷載。然而，對于巖石本身來說，這種情況是最好的，盲目增加承載強度來改善其應力狀態并不比施工本身好。應合理確定支護參數，以確保巷道的穩定性，也可快速開挖。

（2）隨著空頂距離的增加，頂板承載能力變弱，造成頂板壓力向下部兩幫轉移，并向幫部深處延伸，兩幫淺部圍巖強度弱化程度高，不能有效承載頂部載荷，有效承載體為深部巖體承載。