深部厚煤頂巷道破壞失穩(wěn)機理及協(xié)同支護控制技術研究

楊 陽 鐘 磊 杜繼芳

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272061；2.山東工商學院管理科學與工程學院（應急管理學院），山東 煙臺 264003）

隨著煤礦開采深度的逐漸增加，厚度8 m 以上的特厚煤層開采也進入到深部時代。兗州、徐州、淮南等礦區(qū)地的部分特厚煤層開采甚至進入千米以下[1]。進入深部后，高地應力、高滲透壓、高地溫及開采擾動下的巖體力學性質(zhì)較淺部發(fā)生明顯變化，淺部煤巷的支護技術不能完全適應深部巷道[2-3]。深部巷道圍巖的破壞失穩(wěn)制約著工作面的安全高效回采。

為解決深部煤巷的控制難題，許多學者進行了大量研究。康紅普[4-5]針對煤礦深部復雜條件巷道，提出高預應力、強力支護理論，即大幅度提高支護系統(tǒng)的初期支護剛度與強度，保持圍巖的完整性；何滿潮[6-7]針對深部提出非線性大變形理論，將耦合支護設計應用于深部復合頂板煤巷；馬念杰[8]基于深部采動巷道的圍巖應力環(huán)境，分析了雙向非等壓條件下巷道圍巖塑性區(qū)形成的力學機制及其形態(tài)特征，認為支護體必須要有足夠的長度和延伸性能，提出了可接長錨桿支護技術；柏建彪等[9]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法研究了深部巷道的穩(wěn)定問題，認為深部巷道圍巖控制的基本方法是提高圍巖強度、轉移圍巖高應力以及采用合理的支護技術；張益東等[10]提出“錨固復合承載體”概念，認為錨桿群的共同作用使錨桿和其錨固范圍內(nèi)的巖體形成一定強度的承載結構；李為騰[11]研究了深部礦山頂板夾煤層巷道頂板圍巖變形破壞機制，認為夾煤層界面離層破裂區(qū)的發(fā)展最終導致圍巖破壞失穩(wěn)，并提出了以“內(nèi)修+外控”為主的非對稱聯(lián)合控制對策。

綜上所述，既有的煤巷圍巖控制研究以復合頂板巷道為主[12-16]，而對埋深千米的厚煤頂巷道研究較少。據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，此類巷道頂板破碎、下沉量大、變形破壞更加嚴重，對工作面安全回采構成威脅。本文以千米深井唐口煤礦6306 工作面為工程背景，借助數(shù)值模擬分析了不同埋深、煤頂厚度條件下的圍巖塑性區(qū)分布及變形破壞規(guī)律。通過理論分析指出了密集錨網(wǎng)索協(xié)同支護對深井厚煤頂巷道圍巖控制的重要意義，并通過支護參數(shù)模擬驗證了其有效性。

1 工程概況

6306 工作面平均埋深977 m，走向可采長度1570 m，傾向長60 m。工作面內(nèi)受斷層及小褶曲影響，煤層略有起伏，煤層傾角在0～9°之間，平均3°。回采煤層為3 煤，厚度在9.0～10.8 m 之間，平均厚10.02 m。回采巷道尺寸5 m×4 m，沿煤層底板布置。煤層頂?shù)装鍘r性特征如圖1。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性特征圖

工程特點：

1）煤頂厚。厚煤頂巷道的“頂板”概念包括巷道上部頂煤及頂煤上部巖層。6306 工作面回采巷道煤頂厚度達到6 m，所采3 煤的普氏硬度為1.35，屬于軟煤層，相對于其他各類巖層整體性差、強度低。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，錨索打設不及時極易造成錨固煤體的整體下沉。

2）埋深大。鄰近430 采區(qū)的實測垂直力達24.87 MPa，630 采區(qū)埋深達1000 m，地應力高。高地應力下圍巖的強度減弱、變形增大，破碎煤巖體范圍擴大，涌水量加大、地溫升等進一步增加了巷道的維護難度。

3）斷面大。為滿足生產(chǎn)要求，回采巷道斷面達到20 m2，屬大斷面巷道。巷道斷面設計為矩形，傳統(tǒng)擠壓拱理論不適用。矩形斷面使圍巖應力處于不利狀態(tài)，肩角部因應力集中而強度減弱，進而增大了圍巖的破裂程度和破碎范圍；巷道跨度大，圍巖塑性區(qū)范圍擴大，頂板穩(wěn)定性減弱。

4）放頂煤開采擾動大。與單一煤層開采相比，綜放開采的支承壓力分布范圍大，峰值點前移。受放頂煤開采擾動影響，巷道頂板應力增大，增大了厚煤頂?shù)目迕帮L險。

2 深部厚煤頂控制機理分析

2.1 錨固煤體

錨網(wǎng)索帶等支護結構與其錨固范圍內(nèi)的煤相互作用形成錨固煤體。通過支護參數(shù)的優(yōu)化能增大錨固煤體的等效內(nèi)摩擦角及其相互作用力，錨固煤體的力學強度提高后可形成穩(wěn)定的錨固煤體[17-19]。

假設錨固煤體為均質(zhì)巖體，在極限平衡作用條件下，支護后的圍巖仍遵循庫侖強度準則：

式中：σ1、σ3為錨固煤體的等效最大、最小主應力，MPa；φb為錨固煤體的等效內(nèi)摩擦角，（°）；Cb為錨固煤體的等效內(nèi)聚力，MPa。

當錨固煤體的任一點應力狀態(tài)滿足式（1）時，說明錨固煤體即將進入破壞狀態(tài)。而錨固煤體外表所受的應力一般等于錨固煤體的約束力，即有σ3=P。

式中：PS為錨桿對錨固煤體的約束力；PC為錨索對錨固煤體的約束力；QS、QC分別為錨桿、索工作阻力；Dsa、Dsb為錨桿間排距；Dca、Dcb為錨索間排距。

由式（1）（3）可知，減小錨桿（索）間排距可增大其對錨固煤體的約束力，進而可增大錨固煤體的力學強度，能更有效地承載上部破碎煤巖體。

錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護形成的錨固煤體可作為彈塑性介質(zhì)，錨固煤體兩端壓剪破壞仍遵循莫爾–庫侖準則，如圖2 所示。圓Ⅰ為錨固區(qū)域原始應力時莫爾圓，圓Ⅱ為開挖卸載后莫爾圓，線1 為錨固區(qū)域原始應力時摩爾包絡線，線2 為支護形成錨固煤體的摩爾包絡線。巷道開挖后，巷道圍巖應力狀態(tài)由Ⅰ變?yōu)棰颍c摩爾包絡線1 相切時達到臨界破壞狀態(tài)。錨網(wǎng)索帶的聯(lián)合支護增大錨固煤體的等效內(nèi)摩擦角使摩爾包絡線由1 變?yōu)?，與應力圓相離，避免破壞的發(fā)生。因此，增大錨固煤體強度可以有效降低錨固煤體兩端壓剪破壞的發(fā)生幾率。

圖2 錨固煤體各階段莫爾圓

2.2 錨索

為防止錨固煤體整體垮落，單根錨索需提供的最小拉拔力[20]：

式中：Fmin為錨索需提供的最小預緊力；a、s為錨索間排距；h1一般指直接頂高度或頂板到穩(wěn)定巖層的高度；L為巷道寬度。

由式（4）可知，錨索所需提供拉拔力的大小與錨索間排距和直接頂高度有關。對于厚煤頂巷道頂板，減小錨索間排距a、s 可增大對錨固煤體的懸吊力，分攤單根錨索受力，降低厚煤頂整體失穩(wěn)垮落概率。

2.3 密集錨網(wǎng)索協(xié)同支護思路

與復合頂板相比，厚煤頂?shù)拇嬖谑瓜锏理敯褰Y構相對簡單，具有強度低、裂隙發(fā)育等內(nèi)在不穩(wěn)定因素，不具備錨桿組合梁的形成條件；錨桿有效錨固范圍在煤頂內(nèi)，沒有穩(wěn)固巖層，錨桿的懸吊作用難以充分發(fā)揮；煤頂與上方泥巖層間的力學性態(tài)與賦存狀態(tài)差異較大，交界面黏結力差，松動壓力下厚煤頂整體下沉明顯。密集打設預應力錨桿可使松軟破碎的厚煤頂形成高強度、整體性的錨固煤體，通過密集錨索將高強錨固煤體懸吊于上方穩(wěn)定區(qū)域，達到支護厚煤頂?shù)淖饔谩ｅ^桿與錨索的支護參數(shù)設計是錨網(wǎng)索能否發(fā)揮協(xié)同支護作用的關鍵。

3 深厚煤層圍巖破壞機理分析

為研究深部厚煤頂巷道密集錨網(wǎng)索協(xié)同支護可行性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以6306 工作面工程地質(zhì)條件為背景，分析不同因素影響下巷道的圍巖塑性區(qū)分布及變形破壞規(guī)律，研究不同支護方式下的效果。模型幾何尺寸依據(jù)6306 工作面地質(zhì)條件實際：28 m×10 m×32.6 m（長×寬×高），巷道5 m×4 m（寬×高）。模型邊界條件：6306工作面巷道上方中砂巖頂部作為上邊界，下部粉砂巖底部作為下邊界，巷道中心線左右14 m 為兩側邊界，軸向模擬長度10 m。模擬材料本構模型選用莫爾–庫侖彈塑性模型。煤巖層物理力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學參數(shù)

煤頂厚度方案設計：埋深1000 m，模型幾何尺寸、底板、直接頂厚度不變，對應調(diào)整基本頂和煤層厚度。煤層厚度分別為7 m、8 m、9 m、10 m、11 m，對應煤頂厚度3 m、4 m、5 m、6 m、7 m，記錄頂板、巷幫、煤巖交界面3 處的最大變形量。埋深方案設計：分別模擬埋深700 m、800 m、900 m、1000 m 和1100 m 五種情況下厚煤頂巷道的圍巖變形情況，上部邊界施加荷載分別取值17.5 MPa、20 MPa、22.5 MPa、25 MPa、27.5 MPa，記錄頂板、巷幫、煤巖交界面3 處的最大變形量。

圖3 為1000 m 埋深下不同煤頂厚度巷道的圍巖變形情況。1）同一煤頂厚度，變形量：頂板>巷幫>煤巖交界面，說明頂板變形破壞主要發(fā)生在煤頂；2）隨煤頂厚度增加，頂板、巷幫、煤巖交界面變形量增加緩慢并且變形增量逐漸減小趨于收斂。

圖3 不同煤頂厚度巷道圍巖變形情況

不同埋深條件下厚煤頂巷道圍巖變形情況見圖4。1）圍巖變形量：頂板>巷幫>煤巖交界面。2）頂板、巷幫、煤巖交界面變形量均隨埋深的增加而增大。1100 m 埋深與700 m 埋深相比，頂板最大下沉位移量增加111%，巷幫變形量增加108%，煤巖交界面位移下沉量增加97%。隨埋深增加，3 處變形量差值有增大趨勢。3）頂板下沉量遠大于煤巖交界面，說明頂板變形破壞主要發(fā)生在厚煤頂，煤巖離層量變大，煤頂表面位移遠大于上部巖層。

圖4 不同埋深巷道圍巖變形情況

4 協(xié)同支護控制技術研究

4.1 支護方案設計

鑒于地質(zhì)條件的復雜性，最終支護方案的確定不僅需要進行理論分析，還需借助數(shù)值模擬軟件研究不同支護參數(shù)對厚煤頂巷道頂板的控制效果及對巷幫穩(wěn)定性的影響，以揭示錨固煤體強度和錨索錨固位置、參數(shù)對厚煤頂巷道圍巖的控制效果，為支護方案的設計提供依據(jù)。本次研究共設計5 個方案，主要分析不同錨網(wǎng)索支護參數(shù)對巷道厚煤頂?shù)目刂菩Ч蕩筒坎捎猛恢ёo方案。強幫方案：錨桿Ф20 mm×2400 mm（900 mm×1000 mm），每排5棵。頂板支護模擬方案見表2。

表2 數(shù)值模擬方案 mm

4.2 計算結果及分析

1）錨固位置與塑性區(qū)的層位關系。不同支護形式作用于巷道圍巖的區(qū)域不同，圖5 為方案1～5巷道圍巖塑性區(qū)分布。幫部均處于塑性區(qū)內(nèi)，對于頂板：方案1 只打設2400 mm 錨桿完全作用于塑性區(qū)，再加上頂煤下部為破碎區(qū)，控制效果差；方案2 增設5200 mm 錨索未穿透煤頂，錨固在彈性區(qū)與塑性區(qū)的分界附近，錨固效果有限；方案3～5 打設8200 mm 錨索穿透厚煤頂錨固于上部巖層，該巖層為彈性區(qū)，可充分調(diào)動深部圍巖的承載能力。

圖5 各方案圍巖塑性區(qū)分布

2）不同支護方式下圍巖變形情況。5 種方案巷道圍巖變形情況如圖6 所示。巷幫由于采用同一種強幫支護方案，其巷幫變形量變化不大；頂板及頂板上部煤巖交界面下沉位移量：方案1>方案2>方案3>方案4>方案5。方案2 較方案1 增設錨索（5200 mm）使錨桿形成的錨固體懸吊于上部煤層中；方案3 較方案2 使用長錨索（8200 mm），使得錨索將錨固煤體更穩(wěn)定地懸吊于頂煤上方的巖層中；方案4 較方案3 減小了錨桿排距，增大了錨桿支護密度，提高了錨固煤體強度；方案5 較方案4 減小了錨索排距，增大了錨索支護密度，增大錨固煤體強度的同時更穩(wěn)定地將錨固煤體懸吊于上部巖層中。頂板最大下沉量方案5 較方案1 減小13.6%，較方案2 減小11.3%，方案5 圍巖控制效果更為理想。通過數(shù)值模擬可知：長錨索穿透厚煤頂錨固在穩(wěn)定巖層，增大錨固煤體強度、錨索懸吊密度，可加強對巷道圍巖的控制。

圖6 巷道圍巖變形情況

5 工程應用

本文數(shù)值模擬了埋深、煤頂厚度對厚煤頂巷道破壞失穩(wěn)的影響，理論分析了密集錨網(wǎng)索協(xié)同支護的作用機理，并進行了協(xié)同支護數(shù)值模擬。結合工程經(jīng)驗，運用“密集錨網(wǎng)索協(xié)同支護”思路提出了6306 工作面軌道順槽的支護方案，在實踐中取得了良好效果。

5.1 支護方案

6306 工作面軌道順槽采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護，如圖7。

圖7 支護設計斷面圖（mm）

1）頂板支護：錨桿Ф20 mm×2400 mm，間距排距900 mm×1200 mm，每排6 棵；鋼帶采用4800 mm×80 mm×3.8 mm（6 孔）； 錨 索Ф21.8 mm×8200 mm，間排距1000 mm×1200 mm，錨索打設到相鄰兩排錨桿中間，每排5 根；錨索梁長4300 mm（5 孔）；金屬網(wǎng)規(guī)格5400 mm×1400 mm（網(wǎng)格50 mm×50 mm）。

2）兩幫支護：錨桿Ф20 mm×2400 mm，間距排距900 mm×1000 mm，每排5 棵；鋼帶采用2 條規(guī)格為2050 mm×80 mm（3 孔）搭接；金屬網(wǎng)片規(guī)格為2200 mm×1200 mm。

5.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

在6306 工作面軌道順槽頂板離層儀（相距50 m）裝設處設變形量測站，通過對測站頂板離層儀及巷道圍巖收斂測點50 d 的觀測得出：6306 工作面軌道順槽頂?shù)装逡平孔畲笾禐?15 mm，兩幫最大移近量185 mm，在30 d 左右變形收斂趨于穩(wěn)定，最大變形速度為15 mm/d；頂板最大離層量為31 mm。頂板錨固煤體的離層、下沉及破壞均保持在合理可控范圍內(nèi)，未影響生產(chǎn)。圖8 為現(xiàn)場監(jiān)測圍巖變形量。

圖8 巷道圍巖監(jiān)測曲線

6 結論

1）隨埋深增加，巷道圍巖塑性區(qū)范圍擴大并且形狀由近似“梯形”向“矩形”發(fā)展；對于10 m厚煤層，埋深900～1000 m 時，塑性區(qū)上部邊界與煤巖交界面近似重合；同一埋深煤頂厚度變化對塑性區(qū)分布影響不大。

2）巷道頂板、巷幫、煤巖交界面變形量隨埋深和煤頂厚度的增加而增大。深部厚煤頂巷道以厚煤層頂板破壞為主，密集錨桿支護可以使錨固區(qū)域的頂煤形成“高強錨固煤體”，高強錨固煤體作為一個整體不僅力學強度高不易變形破壞，而且可以承載上部松散破碎煤體。

3）厚煤頂位移量大于煤巖交界面，密集錨索穿透厚煤頂支護可將高強錨固煤體懸吊于深部穩(wěn)定巖層，對于深部厚煤頂巷道的頂板控制至關重要。

4）工業(yè)實踐中頂板下沉量保持在可控范圍內(nèi)，保證了工作面的安全回采。對于深部厚煤頂巷道，運用“密集錨網(wǎng)索協(xié)同支護”思路有助于圍巖控制。