不同煤層傾角錨桿支護(hù)巷道圍巖受力特征物理模擬研究

張向陽(yáng)，楊 科

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南232001;2.安徽理工大學(xué)煤與瓦斯共采實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南232001)

我國(guó)大傾角 (25～45°)煤層回采巷道大多采用傳統(tǒng)的剛性支護(hù)技術(shù)，很難適應(yīng)大傾角煤層巷道圍巖在巖層結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)特性等方面的各向異性特征，巷道變形破壞比較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了大傾角煤層的安全開(kāi)采。因此，發(fā)展大傾角煤層回采巷道錨桿支護(hù)技術(shù)是一條重要的技術(shù)途徑，但煤層傾角的增大增加了此類(lèi)巷道采用錨桿支護(hù)控制圍巖穩(wěn)定性的難度。實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬試驗(yàn)一直是研究地下開(kāi)采圍巖移動(dòng)、變形及應(yīng)力分布的重要手段和有效方法。文獻(xiàn)［1］通過(guò)相似材料模擬試驗(yàn)研究，分析了工字鋼梯形支架、錨桿群支護(hù)和鋼帶組合錨桿支護(hù)條件下巷道煤幫的變形破壞特征，以及水平應(yīng)力對(duì)巷道煤幫變形破壞的影響;文獻(xiàn)［2］認(rèn)為錨桿支護(hù)的主要作用在于控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、張開(kāi)裂隙等擴(kuò)容變形與破壞，最大限度地保持圍巖完整性，避免有害變形出現(xiàn);文獻(xiàn)［3］和［4］介紹了錨桿在煤巷支護(hù)中的圍巖控制效果;文獻(xiàn)［5］-［7］從不同巷道不同支護(hù)形式出發(fā)，分析了巷道圍巖變形破壞特征及支護(hù)效果;文獻(xiàn)［8］-［13］從不同測(cè)試方法、不同開(kāi)采條件、不同支護(hù)形式出發(fā)，應(yīng)用相似模擬具體分析研究了不同支護(hù)形式下的巷道圍巖的變形破壞規(guī)律。綜上，針對(duì)不同傾角煤層錨桿支護(hù)巷道的圍巖受力變形破壞特征還沒(méi)有深入的研究。

因此，結(jié)合淮南礦區(qū)大傾角煤層開(kāi)采地質(zhì)和技術(shù)條件，應(yīng)用自制旋轉(zhuǎn)相似模擬試驗(yàn)架，進(jìn)行煤層傾角為0°，30°和45°的回采巷道開(kāi)挖和錨桿支護(hù)的物理模擬試驗(yàn)，系統(tǒng)分析不同煤層傾角錨桿支護(hù)回采巷道圍巖應(yīng)力、變形和破壞特征，揭示傾角變化對(duì)錨桿支護(hù)回采巷道圍巖力學(xué)特征的影響規(guī)律。

1 分析模型及煤層賦存條件

1.1 大傾角煤層巷道結(jié)構(gòu)模型分析

力學(xué)模型的建立分為大傾角實(shí)體煤巷道和沿空巷道的整體結(jié)構(gòu)模型 (圖1和圖2)。由于大傾角煤巷與水平巷道相比在空間構(gòu)成上呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其圍巖應(yīng)力環(huán)境與巖層賦存角度及工作面回采有關(guān)，致使其應(yīng)力分布的非對(duì)稱性。實(shí)體煤巷道開(kāi)挖后，巷幫兩側(cè)應(yīng)力重新分布，形成側(cè)向支承壓力升高區(qū)，對(duì)于水平巷道而言，這種側(cè)向支承壓力是水平對(duì)稱分布的，但是對(duì)于大傾角巷道兩側(cè)的側(cè)向支承壓力分布應(yīng)該受煤層賦存角度影響;沿空掘巷是一類(lèi)特殊的巷道，其特點(diǎn)為:巷道的一幫為已進(jìn)入塑性狀態(tài)的窄煤柱，另一幫為實(shí)體煤，巷道處于采空區(qū)側(cè)應(yīng)力降低區(qū)，但實(shí)體煤幫的應(yīng)力集中系數(shù)比一般回采巷道高。這種類(lèi)型的巷道無(wú)論水平或是大傾角的情形，其巷道圍巖應(yīng)力分布都是非對(duì)稱的。在回采期間，巷道實(shí)體煤側(cè)，工作面超前支承壓力與原有集中應(yīng)力疊加，形成高支承壓力。

圖1 大傾角實(shí)體煤巷道整體結(jié)構(gòu)模型

1.2 煤層賦存條件

圖2 大傾角沿空巷道整體結(jié)構(gòu)模型

淮南礦區(qū)某礦A3煤層厚度2.4～4.5m，平均3.2m，為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中厚煤層，硬度中等偏軟。煤層下部發(fā)育有1～2層夾矸，夾矸厚度在0.2～ 0.8m左右，平均0.5m;煤層傾角28～31°，平均30°。63103運(yùn)輸巷位于 A3煤層中，標(biāo)高為 －678m。煤層直接頂為淺灰色－灰色含鋁質(zhì)粉砂巖，厚1.9～5.3m，平均3.1m;基本頂為中粗粒砂巖，厚3.5～6.6m，平均5.0m;煤層直接底為泥質(zhì)砂巖，厚3.2～6.7m，平均4.3m。

2 相似模擬模型構(gòu)建

2.1 材料配比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓闆r，取相似常數(shù)如下:幾何比CL=1∶50;容重比Cγ=0.6;應(yīng)力比Cσ= 0.012。

實(shí)驗(yàn)采用細(xì)砂為骨料，石灰和石膏為膠結(jié)材料，云母粉為分層材料。各巖層的主要力學(xué)特征和材料配比見(jiàn)表1。

表1 相似材料模型參數(shù)

2.2 模型實(shí)驗(yàn)架及支護(hù)措施

實(shí)驗(yàn)架采用自行研制的可旋轉(zhuǎn)平面應(yīng)變模型架(長(zhǎng)×寬×高=2m×0.2m×1.5m)，根據(jù)煤層傾角不同，設(shè)計(jì)制作了3臺(tái)0°，30°和45°的回采巷道錨桿支護(hù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，同一模型中開(kāi)挖2條巷道，一條為實(shí)體煤巷道，一條為沿空巷道 (由先開(kāi)采一工作面，保留5m煤柱實(shí)現(xiàn))。

根據(jù)63103巷道錨桿支護(hù)參數(shù) (采用高強(qiáng)度左旋螺紋鋼預(yù)拉力錨桿、錨索、M型鋼帶、鋼筋網(wǎng)或塑料網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，其中錨桿規(guī)格為 M22－2500mm，間距×排距=650～800mm×800mm;錨索規(guī)格為φ15.24mm×6300mm，間排距為2000mm ×2400mm)，模型中錨桿用15A的保險(xiǎn)絲，錨索用φ22mm的保險(xiǎn)絲，鋼帶用1mm厚的賽璐珞，金屬網(wǎng)用塑料紗網(wǎng)，錨固劑用石膏乳膠漆 (見(jiàn)圖3)。

圖3 模型加載和測(cè)試系統(tǒng)(30°)

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

分別在距巷道頂板表面 (1.5m，3m，5m，7m)、距高幫表面 (1.5m，3m，5m，7m)、距低幫表面 (1.5m，2.5m，4m，6m)和距底板表面(1.5m，2.5m，4m，6m)不同深度圍巖中布置4條位移測(cè)線和距頂板表面 (1.5m，3m，5m，7m)、高幫表面 (1.5m，3m，5m，7m)、低幫表面 (1.5m，2.5m，5m)和底板表面 (1.5m，2.5m，5m)不同深度圍巖中布置4條應(yīng)力監(jiān)測(cè)線，其中高、低幫沿煤層傾向布置、頂?shù)装鍎t按垂直方向布置。實(shí)驗(yàn)采用BX120－50AA電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，采用經(jīng)緯儀進(jìn)行圍巖位移觀測(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為YJD－27型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (由KH－27型切換器、直流數(shù)字電壓表、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成)。

2.4 動(dòng)載荷加載

模型采用6個(gè)液壓千斤頂進(jìn)行加載。為了模擬巷道開(kāi)挖和工作面回采對(duì)巷道圍巖力學(xué)特征的采動(dòng)影響，巷道圍巖壓力采用應(yīng)力加載系數(shù)的方式加載，每次應(yīng)力加載系數(shù) K按 0.5，0.8，1.0，1.12，1.25，1.37，1.5，……，2.5的梯度加載。當(dāng)加載系數(shù)大于1時(shí)，表示為受采動(dòng)影響的采動(dòng)加載系數(shù)，每次加載間隔時(shí)間為3h。

3 巷道圍巖受力變形分析

3.1 巷道圍巖宏觀破壞特征

實(shí)體煤巷道受?chē)鷰r結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖和采動(dòng)應(yīng)力影響，0°模型主要在巷道頂板發(fā)生斷裂，出現(xiàn)明顯離層、低幫煤體壓出現(xiàn)象，但巷道保持較好 (圖4 (a));30°和45°模型中巷道破壞過(guò)程和規(guī)律相似，高幫煤體出現(xiàn)片幫，頂板發(fā)生下錯(cuò)式移動(dòng)、斷裂、冒頂，導(dǎo)致低幫煤體受擠壓力作用也發(fā)生片幫，圍巖穩(wěn)定性急劇降低，尤其是45°模型巷道圍巖最終出現(xiàn)大面積失穩(wěn)，巷道整體破壞 (圖4(b)、圖4 (c))。

圖4 不同傾角煤層加載后實(shí)體煤巷道圍巖破壞特征

對(duì)于沿空巷道，宏觀破壞特征與實(shí)體煤巷也基本相同，主要表現(xiàn)在巷道高幫上角和低幫下角受頂板回轉(zhuǎn)的影響，高幫最易發(fā)生剪切拉破壞，并隨煤層傾角增大，破壞程度加劇。

由此可見(jiàn)，隨煤層傾角增大，巷道圍巖變形和破壞區(qū)域的各向異性和非對(duì)稱性特征愈加明顯。

3.2 巷道圍巖應(yīng)力特征分析

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，從不同傾角煤層回采巷道深1.5m處圍巖應(yīng)力變化曲線圖中 (其中應(yīng)力用相對(duì)應(yīng)變量表示 (圖5))，可得相同受力荷載狀態(tài)下的圍巖應(yīng)力演化特征。

圖5 不同煤層傾角實(shí)體煤巷道圍巖應(yīng)力變化曲線

隨煤層傾角增大，頂板圍巖應(yīng)力降低，達(dá)到峰值的時(shí)間推遲(圖5(a));高幫、低幫和底板圍巖應(yīng)力均增高(圖5(b)、圖5(c)、圖5(d))，而在高幫和底板中達(dá)到峰值的時(shí)間提前，低幫中達(dá)到峰值的時(shí)間推遲，而峰后應(yīng)力均減小。

同時(shí)研究表明，巷道圍巖不同部位不同深度的應(yīng)力變化特征趨勢(shì)與1.5m處圍巖應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同;另外對(duì)于不同采動(dòng)影響區(qū)，巷道底板受力及變形對(duì)動(dòng)載系數(shù)的敏感程度，隨煤層傾角增大而增大。

綜上分析表明，受工作面回采影響，巷道圍巖由淺入深均存在應(yīng)力峰值并逐漸轉(zhuǎn)移。隨著煤層傾角的不同巷道頂?shù)装?、高低幫?yīng)力變化特點(diǎn)也不同，說(shuō)明大傾角煤層回采巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境存在著顯著的各向異性及演化的非對(duì)稱性。隨煤層傾角增大，巷道高幫和底板圍巖是控制變形和改善受力狀態(tài)的重點(diǎn)區(qū)域。

3.3 巷道圍巖位移特征分析

通過(guò)對(duì)模型巷道圍巖變形觀測(cè)的數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)分析，得出巷道圍巖位移演化與煤層傾角的關(guān)系曲線(圖6)和特征(表2)。

圖6 實(shí)體煤巷道圍巖位移演化與煤層傾角的關(guān)系曲線

表2 不同傾角回采實(shí)體煤巷道圍巖位移特征

(1)由圖6可知，煤層角度為0°時(shí)巷道頂板累積下沉量為236mm，30°時(shí)巷道頂板累積下沉量為150mm，45°時(shí)巷道頂板累積下沉量為96mm，可見(jiàn)巷道頂板累計(jì)下沉量隨煤層角度增大而逐漸減小，頂板巖層運(yùn)動(dòng)形式從豎直方向下沉逐漸向水平方向移動(dòng)轉(zhuǎn)變，傾角越大，煤巷頂板巖層發(fā)生下錯(cuò)式的變形移動(dòng)特征越明顯。

(2)隨著煤層角度增大，高幫移近量緩慢減小 (圖6)。與頂板巖層相比，高幫煤體的穩(wěn)定性較差、變形量較大。0°和30°模型中的高幫沒(méi)有發(fā)生明顯的片幫現(xiàn)象，而45°模型中的高幫則發(fā)生了片幫，且由此導(dǎo)致頂板冒落 (圖4c)?？梢?jiàn)，角度越大，高幫的穩(wěn)定性越差，巷道的整體穩(wěn)定性也隨之減弱。

(3)與高幫相比，低幫煤體的穩(wěn)定性隨著傾角的增大而增強(qiáng)，但30°模型中的低幫煤體的破壞最嚴(yán)重，發(fā)生了片幫現(xiàn)象。隨著傾角的增大，低幫煤體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)逐漸從水平方向的移動(dòng)向豎直方向的移動(dòng)轉(zhuǎn)化，這與高幫煤體隨傾角變化的運(yùn)動(dòng)形態(tài)相同。

(4)隨著煤層角度的增大，底板相同深度巖層底鼓量逐漸增大，煤層傾角不同對(duì)巷道底鼓量影響越明顯。當(dāng)圍巖應(yīng)力水平較低時(shí)，圍巖應(yīng)力分布的各向異性程度較小，還不足以對(duì)巷道底板巖層位移產(chǎn)生較大影響。但隨著圍巖應(yīng)力的不斷增大，圍巖應(yīng)力分布各向異性程度也隨之增加，并開(kāi)始對(duì)巷道底板巖層位移產(chǎn)生較大影響。

綜上分析表明，隨著煤層傾角的增大，巷道頂板易發(fā)生下錯(cuò)式的變形移動(dòng)，巷道頂板、高幫和底板是圍巖變形控制的重點(diǎn)區(qū)域。

對(duì)于沿空巷道而言，除了加強(qiáng)頂板和底板的管理外，更要注重加固高幫側(cè)煤柱強(qiáng)度，適應(yīng)頂板的回轉(zhuǎn)作用。

4 工程應(yīng)用

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，工程實(shí)踐中，對(duì)于大傾角煤層實(shí)體煤回采巷道，一方面，除對(duì)頂板、兩幫進(jìn)行常規(guī)錨網(wǎng)索支護(hù)外，還要在巷道高幫和底板采取相應(yīng)的控制措施。因此，現(xiàn)場(chǎng)在高幫巷中位置沿巷道走向布置錨索，錨索直徑為17.8mm，長(zhǎng)度為5.3m，排距為2.4m，安設(shè)方向與煤層傾角基本一致;錨桿托盤(pán)使用邊長(zhǎng)為200mm的大托盤(pán)，在底板兩腳處錨桿偽傾角15～30°;并在地質(zhì)條件差的地方在底板偏低幫位置安設(shè)木支柱加強(qiáng)支護(hù);另一方面，巷道掘進(jìn)后及時(shí)支護(hù)圍巖，并加強(qiáng)施工工藝和錨網(wǎng)索支護(hù)質(zhì)量監(jiān)管。

該技術(shù)在兩淮礦區(qū)大傾角煤層錨桿支護(hù)回采巷道中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

5 結(jié)論

(1)受工作面回采影響，隨煤層傾角增大，實(shí)體煤巷道和沿空巷道圍巖宏觀變形破壞、應(yīng)力分布的各向異性和非對(duì)稱性特征愈加明顯。不同采動(dòng)影響區(qū)，巷道底板受力及變形對(duì)動(dòng)載系數(shù)的敏感程度，隨煤層傾角增大而增大。

(2)巷道頂板圍巖應(yīng)力隨傾角增加而降低，兩幫應(yīng)力則隨傾角增加而增加。煤層傾角的增加，實(shí)質(zhì)是推遲了頂板和低幫相同深度圍巖發(fā)生明顯變形和應(yīng)力到達(dá)峰值的時(shí)間，提高了其承載能力;但加快了高幫相同深度圍巖發(fā)生明顯變形和應(yīng)力到達(dá)峰值的時(shí)間，降低了其承載能力。

(3)大傾角煤層回采巷道，應(yīng)將高幫作為大傾角煤巷控制的重點(diǎn)，對(duì)頂板、底板的控制，主要是控制層間錯(cuò)動(dòng)，防止產(chǎn)生拉應(yīng)力，要求頂板錨桿具有強(qiáng)大的抗剪能力，沿空巷道主要加固高幫側(cè)煤柱以適應(yīng)頂板巖層回轉(zhuǎn)作用。沒(méi)有采取支護(hù)措施的底板圍巖，是此類(lèi)巷道控制的難點(diǎn)。

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