劉旺海，李軍

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)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(chǔ)量占15%～20%，其中優(yōu)質(zhì)焦煤和無(wú)煙煤約占50%以上，是我們國(guó)家不可缺少的稀有煤種[2]。近年來(lái)，針對(duì)大傾角斜梯形巷道變形破壞和支護(hù)技術(shù)方面的問題，已有科研工作者和工程技術(shù)人員分別從不同方面對(duì)大傾角煤層巷道圍巖變形破壞進(jìn)行了相關(guān)研究，主要集中在急傾斜煤層重復(fù)采動(dòng)下的圍巖破壞機(jī)理[3?4]、大傾角巷道變形破壞機(jī)理及支護(hù)[5?6]、巷道圍巖綜合控制技術(shù)[7?9]、錨索網(wǎng)在巷道支護(hù)中的實(shí)踐[10?11]、回采巷道頂板穩(wěn)定性控制[12]、巷道底鼓破壞機(jī)理及穩(wěn)定性控制[13]及巷道松動(dòng)圈支護(hù)優(yōu)化及合理的布置方式[14?15]，前人已有的研究成果提高了對(duì)大傾角煤層巷道方面的認(rèn)知程度，并為該領(lǐng)域進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)，但鮮見針對(duì)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(hù)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(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 巷道地質(zhì)概況

新疆焦煤集團(tuán)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(dòng)，夾矸間單層煤層在0.8 m 左右波動(dòng)，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(zhì)泥巖，運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷道均為實(shí)體煤層巷道。

1.2 巷道支護(hù)方式及效果分析

25213 運(yùn)輸巷原有支護(hù)方式為錨桿加錨索聯(lián)合支護(hù)，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(guī)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(yù)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(hào)鐵絲編制而成的菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔為50 mm×50 mm，采用Z3535 型樹脂錨固劑。

圖1 回采巷道原支護(hù)斷面

由于巷道開掘形態(tài)的不規(guī)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(jié)構(gòu)弱面易發(fā)生剪切滑移。煤巖夾矸遇水會(huì)出現(xiàn)膨脹、離層、漏冒及網(wǎng)兜現(xiàn)象，部分金屬網(wǎng)破斷，巷道擠壓變形嚴(yán)重，中央錨索和錨桿會(huì)隨著巖層的整體下沉而下降，如圖2 所示。因此，巷道原支護(hù)方式有待進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

圖2 巷道頂板局部破壞狀態(tài)

2 斜梯形巷道變形破壞特征數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型的建立

以新疆焦煤集團(tuán)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(shù)值模擬，如圖3 所示。模型選用“摩爾-庫(kù)倫”本構(gòu)模型，采動(dòng)煤巖體選用大應(yīng)變模式，網(wǎng)格劃分為非均勻混合網(wǎng)格單元，模擬尺寸為長(zhǎng)（X）×寬（Y）×高（Z）=50 m×100 m×50 m；未模擬到的上覆巖層補(bǔ)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(lái)模擬井下真實(shí)的開采條件，其中煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 斜梯形巷道圍巖變形破壞特征

2.2.1 圍巖應(yīng)力分布特征

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

圖4 垂直應(yīng)力

圖5 水平應(yīng)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(fā)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(xiàn)，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(xiàn)“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(qū)分布特征

巷道圍巖開挖后，圍巖將產(chǎn)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?？偠灾锏绹鷰r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(qū)

3 斜梯形巷道支護(hù)優(yōu)化穩(wěn)定性分析

3.1 松動(dòng)圈測(cè)試及錨桿參數(shù)優(yōu)化

鑒于2130 煤礦25213 工作面回采巷道在原支護(hù)方案情況下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巷道圍巖不穩(wěn)定，變形破壞較嚴(yán)重，需再次優(yōu)化巷道支護(hù)，測(cè)試斜梯形巷道圍巖松動(dòng)圈。

25213 運(yùn)輸巷采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)定，為保證測(cè)試結(jié)果的可靠性，一般布置4 條測(cè)線，每條測(cè)線上布置3～4 個(gè)測(cè)站，間距約12 m 左右，每個(gè)測(cè)站依次布置在斜梯形巷道頂板、底板、低幫、高幫側(cè)。測(cè)試中巷道頂板、底板、低幫、高幫的圍巖松動(dòng)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(dòng)圈范圍最大，巷道高幫和底板側(cè)松動(dòng)圈次之，巷道低幫側(cè)松動(dòng)圈最小。

25213 運(yùn)輸巷圍巖松動(dòng)圈范圍Lr為0～1.5 m，依據(jù)松動(dòng)圈支護(hù)理論進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)[16]。

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

根據(jù)2130 煤礦實(shí)際情況，錨入巖層的深度取400 mm，回采巷道的服務(wù)年限較短，k取1.0，按照支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，錨桿外露長(zhǎng)度為100 mm。因此，通過(guò)理論計(jì)算可得25213 工作面回采巷道錨桿支護(hù)最小長(zhǎng)度為1500 mm，可見原支護(hù)方案里錨桿長(zhǎng)度滿足巷道圍巖支護(hù)長(zhǎng)度的基本要求。

3.2 錨桿支護(hù)優(yōu)化效果

在原有支護(hù)方案不變的前提下，對(duì)錨桿參數(shù)的優(yōu)化，可通過(guò)提高錨桿的材質(zhì)屬性以及本身的直徑來(lái)提高錨桿的支護(hù)性能及強(qiáng)度，抵抗圍巖變形，優(yōu)化后的材料力學(xué)性能如表2 所示。將金屬網(wǎng)優(yōu)化后采用高強(qiáng)度金屬網(wǎng)，高強(qiáng)度金屬網(wǎng)強(qiáng)度與剛度大，護(hù)表能力強(qiáng)，可有效擴(kuò)大錨桿的作用效果，且能夠有效阻止松動(dòng)巖塊掉落，提高巷道圍巖多介質(zhì)耦合支護(hù)系統(tǒng)的整體效果。

表2 支護(hù)材料力學(xué)性能優(yōu)化前后參數(shù)

通過(guò)模擬原支護(hù)和優(yōu)化后的效果分別見圖9、圖10。圍巖受采動(dòng)應(yīng)力影響下，當(dāng)原支護(hù)直徑為18 mm 的螺紋鋼錨桿時(shí)，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(qiáng)度螺紋鋼錨桿時(shí)，螺紋鋼錨桿受力為其屈服極限的82%。當(dāng)原支護(hù)直徑為18 mm 的鋼絞線錨索時(shí)，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(qiáng)度鋼絞線錨索時(shí)，鋼絞線錨索受力為其屈服極限的88%。

圖9 原支護(hù)錨桿屈服載荷

圖10 優(yōu)化后錨桿屈服載荷

3.3 巷道圍巖支護(hù)優(yōu)化效果

斜梯形巷道在無(wú)支護(hù)情況下，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，對(duì)行人、運(yùn)輸?shù)葘a(chǎn)生嚴(yán)重的威脅；加強(qiáng)對(duì)頂板及兩幫的支護(hù)，選用高強(qiáng)度錨桿、錨索材質(zhì)，提高錨桿直徑，施加足夠的預(yù)應(yīng)力。通過(guò)支護(hù)優(yōu)化效果可以看出，塑性區(qū)范圍明顯減小，巷道圍巖環(huán)境明顯改善，巷道塑性區(qū)從小到大排列順序?yàn)椤案邚?qiáng)度錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)”＞“錨桿、錨索支護(hù)”＞“無(wú)支護(hù)”，如圖11～圖13 所示。

圖11 巷道無(wú)支護(hù)

圖12 巷道原支護(hù)

圖13 巷道優(yōu)化后支護(hù)

通過(guò)塑性破壞狀態(tài)可以看出，無(wú)支護(hù)狀態(tài)情況下巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重；采用原支護(hù)方案后，圍巖破壞范圍有所減小；進(jìn)一步對(duì)原支護(hù)方案優(yōu)化，采用高強(qiáng)度錨桿、錨索，當(dāng)提高錨桿、錨索直徑后，圍巖變形破壞效果較原支護(hù)方案有所減少，優(yōu)化后頂板下沉量較原支護(hù)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(hù)效果對(duì)比見表3。因此，該支護(hù)方案能有效地控制巷道圍巖變形破壞。

表3 巷道圍巖支護(hù)效果對(duì)比

4 工程實(shí)踐效果檢驗(yàn)

25213 工作面運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷發(fā)生夾矸冒頂及圍巖變形破壞，后期及時(shí)采用支護(hù)優(yōu)化后的新方案，且結(jié)合大傾角巷道變形破壞的特征，對(duì)易變形破壞的頂板、高幫及肩角關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)，并全斷面采用金屬網(wǎng)噴漿封閉。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果可以看出，運(yùn)輸巷頂?shù)装逡平繛?38 mm，兩幫移近量為326 mm，見圖14；回風(fēng)巷頂?shù)装逡平繛?30 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(wěn)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(yùn)輸巷圍巖變形曲線

圖15 25213 回風(fēng)巷圍巖變形曲線

5 結(jié)論

（1）大傾角煤層斜梯形巷道頂板應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布具有明顯的非對(duì)稱性特征。斜梯形巷道在受載、變形與破壞等方面呈現(xiàn)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(qū)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(duì)大傾角煤層斜梯形巷道圍巖破壞特征，提出“高強(qiáng)度錨桿、錨索”聯(lián)合支護(hù)方案，通過(guò)恢復(fù)和強(qiáng)化圍巖的完整性和承載能力，與高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)共同組成具有高強(qiáng)度、高抗變形能力的完整圍巖承載結(jié)構(gòu)；對(duì)易變形破壞的頂板、高幫及肩角關(guān)鍵部位要重點(diǎn)加強(qiáng)控制?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)治理效果顯著，巷道圍巖整體穩(wěn)定性得到基本控制。