文章編號" 1000-5269（2024）01-0072-06

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.01.11

收稿日期：2022-11-05

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52174072）；貴州省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目 （黔科合基礎(chǔ)[2020]1Z047）

作者簡介：韓" 森（1986—），男，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：巖石力學(xué)與巖層控制，E-mail：hansen6891@126.com.

*通訊作者：韓" 森，E-mail：hansen6891@126.com.

摘" 要：針對貴州某煤礦沿空留巷在原有支護(hù)條件下，靠上幫一側(cè)頂板以及下幫底角的巖層變形破壞較嚴(yán)重的情況，對巷道支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)。利用數(shù)值模擬軟件，對改進(jìn)支護(hù)后的巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：改進(jìn)支護(hù)后的巷道圍巖變形破壞情況得到明顯改善，改進(jìn)后的支護(hù)方式能夠較好地阻滯巷道上幫一側(cè)頂板和下幫底角的巖層嚴(yán)重變形破壞，從而保持巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性，研究可為類似條件礦井沿空留巷的支護(hù)方式提供參考。

關(guān)鍵詞：沿空留巷；圍巖變形破壞；數(shù)值模擬；支護(hù)改進(jìn)

中圖分類號：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

沿空留巷無煤柱護(hù)巷技術(shù)不僅能降低礦井巷道掘進(jìn)量，節(jié)約掘進(jìn)費(fèi)用，使采掘接續(xù)緊張狀況得到緩解，而且能提高煤炭資源采出率、延長礦井服務(wù)年限，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益［1-5］。然而沿空留巷巷道要經(jīng)受2次采動影響，巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道圍巖呈現(xiàn)非對稱變形破壞的特點(diǎn)，維護(hù)難度大。沿空留巷巷道圍巖變形與破壞問題制約著留巷的發(fā)展，因此，沿空留巷巷道圍巖變形機(jī)理以及圍巖控制一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題，同時獲得了一系列重要成果。

柏建彪等［6］從應(yīng)力控制與圍巖強(qiáng)化角度分析了高水充填留巷圍巖在巷道掘進(jìn)、工作面超前采動、留巷圍巖調(diào)整和鄰近工作面復(fù)用4個階段的應(yīng)力與變形特征，提出了“基本頂二次破斷”的覆巖頂板運(yùn)動特征。苗凱軍等［7］建立了厚硬頂板條件下充填開采沿空留巷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，提出了保證留巷側(cè)采空區(qū)充填、增強(qiáng)采空區(qū)側(cè)矸石墻強(qiáng)度以及優(yōu)化矸石墻支護(hù)參數(shù)的沿空留巷大變形控制途徑。王俊峰等［3］對工作面回采時沿空留巷圍巖偏應(yīng)力和塑性區(qū)的分布及其演化規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了沿空留巷圍巖在工作面回采擾動條件下的非對稱變形破壞機(jī)制。王凱等［8］針對軟弱厚煤層綜放開采沿空留巷動壓顯現(xiàn)明顯、頂板不均勻切項(xiàng)下沉等問題，提出了沿煤層頂板沿空留巷變形協(xié)同支護(hù)體系。于光遠(yuǎn)等［9］針對沿空留巷底鼓問題，分析了沿空留巷底鼓的變形特征和力學(xué)機(jī)理，提出了切頂卸壓、柔性讓壓、補(bǔ)強(qiáng)錨索控頂和雙控錨桿控幫相結(jié)合的沿空留巷底鼓大變形控制技術(shù)。王平等［10］針對深井工作面沿空留巷，提出了以矸石墻+鋼管混凝土立柱為主的巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)和先固頂、再護(hù)幫、后控底的沿空留巷圍巖控制原則。

本文針對貴州某煤礦沿空留巷在原護(hù)巷方式下巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的情況，對該巷道支護(hù)方式進(jìn)行針對性加強(qiáng)，并利用真實(shí)破裂過程分析（realistic failure process analysis，RFPA）軟件對改進(jìn)后的巷道圍巖支護(hù)效果進(jìn)行分析驗(yàn)證，為類似條件下的沿空留巷巷道圍巖控制技術(shù)和方法提供支撐。

1" 回采工作面及沿空留巷支護(hù)

1.1" 回采工作面

貴州某煤礦1232采煤工作面運(yùn)輸平巷采用沿空留巷無煤柱護(hù)巷技術(shù)，在1232采面回采完成后作為下區(qū)段的回風(fēng)平巷。1232采面回采煤層為3#煤，埋藏深度約216 m，煤層平均厚度約2.3 m，平均傾角約30°。煤層頂板巖性為灰色粉砂巖，夾雜粉砂質(zhì)泥巖，底板以灰色粉砂巖為主。1232采面采煤方法為走向長壁后退式，采煤工藝為綜合機(jī)械化開采，采空區(qū)頂板處理方式為全部垮落法。工作面斜長180 m，走向長1 010 m，工作面實(shí)際開采高度2.3 m。1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷斷面積為13.95 m2，巷道斷面具體形狀和尺寸如圖1所示。

1.2" 沿空留巷現(xiàn)場維護(hù)情況和效果

1232采面運(yùn)輸平巷剛開掘完成并投入使用時的支護(hù)方式為錨網(wǎng)支護(hù)，使用直徑20 mm、長度2 m的樹脂錨桿，規(guī)格為1 800 mm×900 mm的鋼筋網(wǎng)，錨桿間排距為800 mm×800 mm，除底錨桿是以15°向下扎外，其余錨桿均與巷道輪廓線成90°垂直布置。

1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷原護(hù)巷方式：在1232采面前方50 m的運(yùn)輸平巷上幫邊緣靠近采空區(qū)側(cè)的位置，沿巷道軸向布置長度為4.2 m的W鋼帶，并用直徑15.5 mm、長度8 m的錨索固定；沿巷道上幫采空區(qū)邊緣布置一道密閉墻，密閉墻由內(nèi)部裝滿矸石的編織袋堆砌而成，墻厚為1.0 m；在運(yùn)輸平巷內(nèi)靠巷道上幫位置處，每隔6 m設(shè)置一組規(guī)格為1 400 mm×200 mm×200 mm的木垛，以防止采空區(qū)矸石下滑；在采空區(qū)下方布置一排木點(diǎn)柱，柱與柱之間相隔0.8 m，木點(diǎn)柱直徑為200 mm；在運(yùn)輸平巷內(nèi)布置工字鋼棚梁，棚梁間距為0.8 m，長度為4.5 m，在巷道兩邊各采用一根單體液壓支柱對工字鋼棚梁進(jìn)行支撐，另外在距離下幫1.6 m處巷道中部位置，采用單體液壓支柱配合金屬鉸接頂梁對工字鋼棚梁加以支撐。沿空留巷原支護(hù)斷面如圖2所示。

通過現(xiàn)場調(diào)查，并對原支護(hù)下的1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析［11］，發(fā)現(xiàn)按照原支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)后，巷道頂板靠上幫一側(cè)以及下幫底角的圍巖變形破壞較為嚴(yán)重，巷道底板比較破碎。同時，在巷道底板變形破碎的過程中，巷內(nèi)支護(hù)由于底部失穩(wěn)使得支護(hù)效果變差甚至失效，導(dǎo)致巷道變形破壞程度進(jìn)一步加劇，沿空留巷巷道總體支護(hù)效果不理想。

1.3" 沿空留巷巷道支護(hù)改進(jìn)

針對上述1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷巷道在原支護(hù)條件下的變形破壞情況，同時考慮到原沿空留巷采用木垛+編織袋的巷旁支護(hù)方法存在支護(hù)阻力小、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，擬在前述巷道支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用更加有效的巷旁支護(hù)手段代替木垛和編織袋。注漿支護(hù)對破裂巖體具有充填和粘結(jié)作用，可通過提高破裂圍巖的完整性來提高圍巖強(qiáng)度，特別是錨注具有網(wǎng)絡(luò)和函拱效應(yīng)，可提高圍巖的自我承載能力和穩(wěn)定性［12-17］。因此在巷道底板補(bǔ)打注漿錨桿，對底板進(jìn)行注漿加固。

目前常用的巷旁支護(hù)新材料和新技術(shù)主要為高水速凝材料及膏體材料巷旁支護(hù)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是支護(hù)阻力大、增阻速度快，適量可縮，巷道維護(hù)效果好［18］。本次巷旁支護(hù)改進(jìn)采用高水材料充填體，根據(jù)巷道實(shí)際賦存條件確定高水材料充填體規(guī)格為：墻高2.3 m，寬2.0 m，墻體在充填前必須保證找到實(shí)底，而且充填要到頂?shù)降住３涮畈牧线x用ZKD型高水速凝材料［19］，由主料和配料兩部分組成，其中主料選用硫鋁酸鹽水泥熟料作為基材，并與懸浮劑及少量超緩凝劑混合而成，配料由石灰、石膏、懸浮劑和復(fù)合速凝增早強(qiáng)劑等混合而成。主料和配料的配比為1∶1，水與高水速凝材料的配比為4∶1。

注漿錨桿采用直徑為25 mm的R25號注漿錨桿，長度為2 m，注漿孔深度要求達(dá)到2.5 m，孔間排距3.2 m，注漿終壓為1.0 MPa。固化劑選用ZKD型高水速凝材料，水灰比為1.5∶1［20］。底角錨桿在層狀巖石中盡量與巖層面呈90°垂直布置。

2" 數(shù)值模型構(gòu)建

利用RFPA數(shù)值模擬軟件，對改進(jìn)支護(hù)方案后1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷的圍巖變形破壞情況進(jìn)行模擬。

2.1" 數(shù)值模型塊體

根據(jù)1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷實(shí)際地質(zhì)條件以及改進(jìn)后的支護(hù)方案進(jìn)行模型構(gòu)建，煤巖層細(xì)觀單元力學(xué)性質(zhì)符合韋伯分布。模型尺寸規(guī)格為50 m×40 m，總共劃分32 000（200×160）個網(wǎng)格，邊界條件為水平固定，垂直方向施加等效載荷，考慮重力影響。1232采面頂?shù)装鍘r層及煤體經(jīng)擬合轉(zhuǎn)換后的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2" 數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)

改進(jìn)后的1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷支護(hù)方式包括錨網(wǎng)、錨索配合W鋼帶、單體液壓支柱、工字鋼棚梁、高水材料充填體、注漿錨桿。其中，規(guī)格為Φ20×2 000 mm樹脂錨桿的錨固力為31.72 kN，錨索的錨固力大于120 kN；單體液壓支柱的支撐力為30 t；高水材料充填體在模型中為巷道采空區(qū)一側(cè)的實(shí)體，其單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)17.1 MPa。底板補(bǔ)打R25號注漿錨桿，錨固力為100 kN。改進(jìn)支護(hù)后1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷數(shù)值模擬原始模型如圖3所示。

3" 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1" 數(shù)值模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬計(jì)算，繪制改進(jìn)支護(hù)后的1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷圍巖的最大主應(yīng)力圖、最小主應(yīng)力圖、X方向應(yīng)力場圖、Y方向應(yīng)力場圖，并與原支護(hù)方式下運(yùn)算到相同時步時的巷道圍巖變形破壞的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。

3.2" 結(jié)果分析

由圖4（a）（b）可以看出：改進(jìn)支護(hù)后的沿空留巷巷道圍巖應(yīng)力集中范圍明顯小于原支護(hù)。原支護(hù)方式的主應(yīng)力的應(yīng)力方向發(fā)生了一定偏轉(zhuǎn)，最大主應(yīng)力與豎直方向呈一定夾角，巷道上方應(yīng)力偏向于3#煤層采空區(qū)一側(cè)，下方應(yīng)力偏向于巷道靠煤幫底角一側(cè)；而改進(jìn)支護(hù)后的巷道圍巖主應(yīng)力方向沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，均勻地分布于巷道頂?shù)装?。這也從應(yīng)力集中角度解釋了原支護(hù)狀態(tài)下巷道上幫一側(cè)以及巷道底板特別是巷道下幫底角變形破壞情況嚴(yán)重，而改進(jìn)支護(hù)后的巷道圍巖變形破壞情況得到改善的原因。

由圖4（c）（d）可以看出：改進(jìn)支護(hù)后的巷道圍巖附近黑色網(wǎng)格點(diǎn)（巖層破碎網(wǎng)格點(diǎn)）非常少，僅稀疏分布在巷道底板巖層中；而原支護(hù)條件下，黑色網(wǎng)格點(diǎn)集中分布于巷道靠上幫一側(cè)頂板，以及巷道底板巖層特別是巷道下幫底角位置。改進(jìn)支護(hù)后巷道圍巖黑色網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量明顯少于原支護(hù)，說明改進(jìn)后的支護(hù)方式能夠較好地阻滯巷道上幫一側(cè)頂板和下幫底角的巖層嚴(yán)重變形破壞，從而保持巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性，使得改進(jìn)支護(hù)后的巷道圍巖變形破壞情況明顯改善。

綜上所述，在1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷原支護(hù)方式的基礎(chǔ)上，采用高水材料充填巷旁支護(hù)以及巷道底板補(bǔ)打注漿錨桿并進(jìn)行注漿后，巷道整體圍巖強(qiáng)度得到提高，巷道底板破碎程度得到降低，巷道圍巖變形破壞得到有效控制。

4" 結(jié)論

1）在1232采面運(yùn)輸平巷沿空留巷原支護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高水材料充填巷旁支護(hù)以及巷道底板補(bǔ)打注漿錨桿并進(jìn)行注漿，對原支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)。

2）通過RFPA數(shù)值模擬，對改進(jìn)支護(hù)后的沿空留巷巷道圍巖變形情況進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)支護(hù)后的巷道圍巖破碎網(wǎng)格點(diǎn)僅稀疏分布在巷道底板巖層中，而集中應(yīng)力均勻分布于巷道頂?shù)装濉?/p>

3）改進(jìn)后的支護(hù)方式能夠較好地阻滯巷道上幫一側(cè)頂板和下幫底角的巖層嚴(yán)重變形破壞，從而保持巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢鳴高， 石平五. 礦山壓力與巖層控制［M］. 徐州： 中國礦業(yè)大學(xué)出版社， 2003： 224-227.

［2］ 徐永圻. 煤礦開采學(xué)［M］. 徐州： 中國礦業(yè)大學(xué)出版社， 1991： 88-89.

［3］ 王俊峰， 王恩， 陳冬冬， 等. 窄柔模墻體沿空留巷圍巖偏應(yīng)力演化與控制［J］. 煤炭學(xué)報， 2021， 46（4）： 1220-1231.

［4］ 華心祝. 我國沿空留巷支護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及改進(jìn)建議［J］. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2006， 34（12）： 78-81.

［5］ 陳勇， 柏建彪， 王襄禹， 等. 沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用［J］. 煤炭學(xué)報， 2012， 37（6）： 903-910.

［6］ 柏建彪， 張自政， 王襄禹， 等. 高水材料充填沿空留巷應(yīng)力控制與圍巖強(qiáng)化機(jī)理及應(yīng)用［J］. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2022， 50（6）： 16-28.

［7］ 苗凱軍， 屠世浩， 劉迅， 等. 深部厚硬頂板下充填面留巷大變形分析及控制［J］. 煤炭學(xué)報， 2021， 46（4）： 1232-1241.

［8］ 王凱， 楊寶貴， 王鵬宇， 等. 軟弱厚煤層沿空留巷變形破壞特征及控制研究［J］. 巖土力學(xué)， 2022， 43（7）： 1913-1924， 1960.

［9］ 于光遠(yuǎn)， 王炯， 孫晗， 等. 砌塊充填沿空留巷底鼓大變形機(jī)理及綜合控制技術(shù)［J］. 采礦與安全工程學(xué)報， 2022， 39（2）： 335-346.

［10］王平， 曾梓龍， 孫廣京， 等. 深井矸石充填工作面沿空留巷圍巖控制原理與技術(shù)［J］. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2022， 50（6）： 68-76.

［11］韓森， 劉萍. 沿空留巷支護(hù)技術(shù)的數(shù)值模擬研究［J］. 煤炭技術(shù)， 2017， 36（11）： 54-56.

［12］康紅普， 姜鵬飛， 黃炳香， 等. 煤礦千米深井巷道圍巖支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制技術(shù)［J］. 煤炭學(xué)報， 2020， 45（3）： 845-864.

［13］柏建彪， 侯朝炯. 深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究［J］. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2006， 35（2）： 145-148.

［14］孫利輝， 楊賢達(dá)， 張海洋， 等. 強(qiáng)動壓松軟煤層巷道煤幫變形破壞特征及錨注加固試驗(yàn)研究［J］. 采礦與安全工程學(xué)報， 2019， 36（2）： 232-239.

［15］李海燕， 張紅軍， 李術(shù)才， 等. 新型高預(yù)應(yīng)力錨索及錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用［J］. 煤炭學(xué)報， 2017， 42（3）： 582-589.

［16］余偉健， 李可， 蘆慶和， 等. 裂隙發(fā)育巖體巷道圍巖工程特征與變形控制［J］. 煤炭學(xué)報， 2021， 46（11）： 3408-3418.

［17］鄧廣哲， 劉華. 深部軟巖大變形巷道錨注一體化支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用［J］. 西安科技大學(xué)學(xué)報， 2021， 41（2）： 262-273.

［18］柏建彪， 周華強(qiáng)， 侯朝炯， 等. 沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)的發(fā)展［J］. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2004， 33（2）： 183-186.

［19］侯朝炯， 周華強(qiáng)， 張連信， 等. ZKD型高水速凝材料的生產(chǎn)及應(yīng)用［J］. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 1993 （1）： 16-19， 63.

［20］柏建彪， 侯朝炯， 杜木民， 等. 復(fù)合頂板極軟煤層巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2001， 20（1）： 53-56.

（責(zé)任編輯：周曉南）

Analysis and Improvement of Gob-Side Entry Retaining

Support Technology in Guizhou

HAN Sen*1，4， LIU Ping1，2，3，4， WANG Chen1， KANG Xiangtao1

（1.Mining College， Guizhou University， Guiyang 550025， China;2.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive

Utilization of Non-metallic Mineral Resources， Guiyang 550025， China；3.Guizhou Engineering

Lab of Mineral Resources， Guiyang 550025， China；4.Engineering Center for Safe Mining Technology Under Complex Geologic Conditions， Guiyang 550025， China）

Abstract：

In view of the serious deformation and failure of the roof of the upper side and the bottom corner of the lower side under the original support conditions of a gob-side entry retaining in a coal mine in Guizhou， measures are taken to improve the roadway support mode. The numerical simulation software is used to analyze the deformation and failure of roadway surrounding rock after improving the support. It is found that the broken condition of roadway surrounding rock is obviously strengthened under the improved support， which can better block the serious deformation and damage of the roof rock on the upper side of roadway and the bottom angle of the lower side， so as to maintain the integrity and stability of roadway surrounding rock. The research can provide reference for the support of gob-side entry retaining under similar conditions.

Key words：

gob-side entry retaining; surrounding rock deformation and failure; numerical simulation; support improvement