傾斜煤層沿空掘進(jìn)巷道不對(duì)稱支護(hù)技術(shù)

王鵬舉 周 鋼 鄒長(zhǎng)磊 王 浩 王 超

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

傾斜煤層沿空掘進(jìn)巷道不對(duì)稱支護(hù)技術(shù)

王鵬舉1，2周 鋼1，2鄒長(zhǎng)磊1，2王 浩1，2王 超1，2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

鑒于現(xiàn)階段絕大多數(shù)巷道采用對(duì)稱支護(hù)方法這一現(xiàn)狀，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬以及物理相似模擬技術(shù)揭示巷道圍巖的受力狀態(tài)及變形破壞特征。研究表明傾斜煤層沿空掘進(jìn)巷道圍巖呈明顯不對(duì)稱受力狀態(tài)及變形破壞特征，巷道斷面與巖層傾斜方向成鈍角的部位首先產(chǎn)生變形破壞，隨后產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，巷道的其他部位破壞，最后造成整個(gè)巷道的破壞失效。因此常規(guī)的對(duì)稱支護(hù)技術(shù)不能保證巷道圍巖的穩(wěn)定，針對(duì)這一研究結(jié)果提出采用非對(duì)稱的支護(hù)技術(shù)，在對(duì)稱支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)薄弱(關(guān)鍵)位置補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)，防止薄弱(關(guān)鍵)部位的破壞而導(dǎo)致的整個(gè)巷道的連鎖式破壞，使巷道整個(gè)斷面的變形趨于協(xié)調(diào)。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中和工作面回采過(guò)程中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)礦壓及圍巖變形量的檢測(cè)分析，錨桿的受力均勻，巷道變形能夠滿足安全生產(chǎn)要求，表明支護(hù)效果較好，對(duì)類似條件巷道的支護(hù)有借鑒意義。

傾斜煤層 沿空掘進(jìn)巷道 關(guān)鍵部位 不對(duì)稱支護(hù)

隨著煤炭需求量的日益增加，淺層煤炭資源日趨枯竭，開采深度逐年加大，巷道在深部圍巖中的受力狀態(tài)和淺部時(shí)差異很大，巷道圍巖的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境更加復(fù)雜，圍巖的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非對(duì)稱性，加之高地應(yīng)力的作用，使得巷道圍巖大多數(shù)處于非對(duì)稱的受力狀態(tài)，圍巖出現(xiàn)非對(duì)稱變形破壞，此時(shí)常規(guī)的對(duì)稱支護(hù)理念已經(jīng)不能滿足要求。局部高應(yīng)力區(qū)的存在使得這部分首先出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，進(jìn)而導(dǎo)至整個(gè)斷面的連鎖式破壞。但是如果提高全斷面的支護(hù)強(qiáng)度，勢(shì)必導(dǎo)致支護(hù)材料的浪費(fèi)，增加支護(hù)費(fèi)用，巷道的變形不協(xié)調(diào)，減緩了巷道的成巷速度，影響了煤炭開采的高效。

1 巷道不對(duì)稱支護(hù)研究現(xiàn)狀

針對(duì)上述現(xiàn)狀，很多學(xué)者進(jìn)行了研究：張農(nóng)等[1]分析了巷道在薄層狀煤巖互層中時(shí)圍巖表現(xiàn)的非對(duì)稱和不均勻的破壞特征，提出一錨桿、錨索、注漿的主動(dòng)支護(hù)為主體構(gòu)建整體封閉式支護(hù)，并輔以結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)技術(shù)；許紹明，徐穎針[2]對(duì)深部軟巖巷道圍巖的非對(duì)稱變形破壞問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察研究，分析了巷道非對(duì)稱變形破壞的原因，提出對(duì)薄弱部位采用加強(qiáng)支護(hù)的非對(duì)稱耦合控制對(duì)策；楊科等[3]采用數(shù)值模擬綜合分析了大傾角煤層回采巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征，揭示了大傾角煤層回采巷道圍巖力學(xué)特征非對(duì)稱演化機(jī)理，提出并實(shí)施了大傾角煤層實(shí)體煤回采巷道和留小煤柱回采巷道的非對(duì)稱錨網(wǎng)索支護(hù)方法；張蓓，曹勝根[4]基于大傾角煤層巷道圍巖破壞現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)信息，建立了不同巖層傾角下巷道圍巖變形破壞的數(shù)值計(jì)算模型，研究了大傾角煤層巷道圍巖非對(duì)稱變形破壞機(jī)制，得出圍巖變形破壞的關(guān)鍵部位，提出了大傾角煤層巷道圍巖關(guān)鍵部位非對(duì)稱耦合支護(hù)對(duì)策；傅清國(guó)等[5]通過(guò)三維數(shù)值模擬方法，研究巷道非對(duì)稱變形時(shí)周圍巖體的位移場(chǎng)分布規(guī)律，分析巷道推進(jìn)到上部工作面下方時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律，為深部巷道非對(duì)稱變形控制提供初步的理論依據(jù)；任奮華等[7]綜合分析區(qū)域地質(zhì)特征、巖體空間變異特征、開采技術(shù)條件和支護(hù)模式的基礎(chǔ)上，利用FLAC3D程序技術(shù)定量評(píng)價(jià)了破碎巖體巷道非對(duì)稱破壞的變形特征，并與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性和可行性；王亞瓊等[8]針對(duì)淺埋偏壓連拱隧道施工中出現(xiàn)的受力非對(duì)稱問(wèn)題，結(jié)合工程實(shí)際情況，通過(guò)有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，洗淺埋偏壓連拱隧道非對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況，采用非對(duì)稱設(shè)計(jì)方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；孫曉明等[9]針對(duì)深部?jī)A斜巖層巷道圍巖在開挖支護(hù)后所表現(xiàn)出來(lái)的非對(duì)稱變形破壞的變形破壞機(jī)制及耦合控制對(duì)策進(jìn)行了數(shù)值模擬與工程應(yīng)用研究，研究表明，深層傾斜巖層巷道斷面與巖層傾斜方向的鈍角部位是產(chǎn)生非對(duì)稱變形破壞的關(guān)鍵部位，非對(duì)稱變形破壞的機(jī)制主要表現(xiàn)為巖層結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱影響而產(chǎn)生的層間剪切滑移變形機(jī)制及高應(yīng)力擴(kuò)容機(jī)制等差異性變形機(jī)制，并提出了非對(duì)稱耦合控制對(duì)策；徐穎等[11]針對(duì)深部軟巖巷道圍巖的非對(duì)稱變形破壞，結(jié)合典型工程實(shí)例，提出了非對(duì)稱耦合支護(hù)對(duì)策；鄒敏鋒等[10]針對(duì)某礦“孤島”綜采工作面的支護(hù)變形問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與MIDAS軟件數(shù)值模擬計(jì)算，提出了錨網(wǎng)復(fù)合不對(duì)稱支護(hù)方法，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明兩幫變形更為協(xié)調(diào)，同一斷面各錨桿間的受力分布更均勻，對(duì)巷道整個(gè)收斂量起到了較好的控制作用。

本研究在總結(jié)現(xiàn)有關(guān)于研究巷道不對(duì)稱支護(hù)方法技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析位于傾斜煤層中的沿空掘進(jìn)輔助巷道圍巖不均勻破壞及失穩(wěn)規(guī)律，主要研究錨桿、錨索等主動(dòng)支護(hù)為主的非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)，并通過(guò)對(duì)重點(diǎn)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，有效地控制了此類巷道圍巖的破壞失穩(wěn)現(xiàn)象。

2 巷道地質(zhì)概況

某礦21108工作面埋深600～670 m，煤層傾角約10°，厚度變化較小，煤巖類型以亮煤為主；偽頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度為0.52 m；直接頂為細(xì)砂巖，平均厚度為3.59 m；老頂為中砂巖，平均厚度10.21 m；直接底為泥巖，平均厚度2.77 m；老底為中粒砂巖，平均厚度18.34 m；圍巖節(jié)理較發(fā)育，膠結(jié)程度差，松軟破碎，自承能力差，而且對(duì)水的作用極為敏感。巷道沿頂板掘進(jìn)，預(yù)留5 m小煤柱，巷道寬3 500 mm，低幫25 000 mm，高幫3 300 mm；巖性特征如表1所示。

表1 地層巖性特征Table 1 Formation lithology characteristics

3 傾斜煤層沿空掘進(jìn)巷道圍巖力學(xué)特性及變形機(jī)制

此巷道為傾斜煤層沿空掘進(jìn)巷道，巷道兩幫圍巖結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，加之上工作面回采影響，小煤柱各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)于實(shí)體煤均有不同程度的減弱，這更加劇了巷道的不對(duì)稱性，由于對(duì)此類巷道受力變形機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，巷道原支護(hù)方式為錨桿錨索對(duì)稱支護(hù)，巷道掘進(jìn)過(guò)程中斷面局部圍巖變形，導(dǎo)致巷道整個(gè)斷面發(fā)生持續(xù)不對(duì)稱變形，嚴(yán)重影響了礦井的生產(chǎn)安全，因此要想控制此類巷道的變形，必須對(duì)斷面的關(guān)鍵部位進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)。

現(xiàn)階段對(duì)此類巷道的研究表明，傾斜巖層巷道斷面與巖層傾斜方向的鈍角部位是產(chǎn)生非對(duì)稱變形的關(guān)鍵部位，非對(duì)稱變形破壞的機(jī)制主要表現(xiàn)為首巖體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱影響而產(chǎn)生的層間剪切滑移變形機(jī)制及應(yīng)力擴(kuò)容變形機(jī)制等差異性變形機(jī)制。

通過(guò)數(shù)值模擬及相似物理模擬顯示，巷道不利部位(關(guān)鍵部位)為小煤柱側(cè)(右?guī)?、左側(cè)底板、左側(cè)頂板，如圖1、圖2所示。

圖1 圍巖受力狀態(tài)數(shù)值模擬

圖2 巷道變形破壞特征物理模擬

4 非對(duì)稱支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上研究結(jié)果，巷道采用非對(duì)稱支護(hù)方式，支護(hù)參數(shù)及步驟如下：巷道開挖后隨即用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼帶對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。頂板5根錨桿，桿體直徑22 mm，長(zhǎng)度2 500 mm，極限破斷力大于300 kN，間排距800 mm×900 mm，預(yù)緊力大于200 N·m，全長(zhǎng)錨固；右?guī)?根錨桿，間排距700 mm×900 mm；左幫4根錨桿，間排距800 mm×900 mm，兩幫錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)度2 000 mm，極限破斷力大于300 kN，預(yù)緊力大于150 N·m，配150 mm×150 mm×6 mm的托盤。

初次支護(hù)結(jié)束后，緊接著進(jìn)行局部關(guān)鍵部位的加強(qiáng)支護(hù)：左幫補(bǔ)打底角錨桿，錨桿直徑22 mm，長(zhǎng)度2 500 mm，極限破斷力大于400 kN，全長(zhǎng)錨固；左幫肩角補(bǔ)打預(yù)應(yīng)力錨索，錨索直徑17.8 mm，長(zhǎng)度6 300 mm，極限破斷力大于400 kN·m，延伸率大于4%，預(yù)緊力大于300 N·m，配有300 mm×300 mm×10 mm的托盤。為了施工工藝的簡(jiǎn)單易行，底角錨桿和左幫錨桿排距相同，且位于同一斷面，固定于同一根梯子梁上；肩角錨索和頂板錨桿排距相同，位于兩排錨桿的中間。具體支護(hù)參數(shù)見圖3。

圖3 不對(duì)稱支護(hù)參數(shù)

5 不對(duì)稱支護(hù)效果

由于采用了非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)，對(duì)薄弱位置進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，使得整個(gè)巷道斷面的受力更加趨于合理，巷道的變形更加協(xié)調(diào)，無(wú)局部破壞現(xiàn)象出現(xiàn)。在巷道掘進(jìn)及回采過(guò)程中，對(duì)巷道圍巖的變形進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括整個(gè)斷面的礦壓檢測(cè)、兩幫相對(duì)位移及頂?shù)装逑鄬?duì)位移，檢測(cè)布置如圖4。統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果如下：巷道掘進(jìn)過(guò)程中，錨桿最大受力96 kN，最小受力74 kN，受力基本趨于均勻；圍巖收斂量見圖5；工作面回采過(guò)程中，錨桿最大受力143 kN，最小127 kN，圍巖收斂量見圖6。

圖4 檢測(cè)設(shè)備布置圖

6 結(jié) 論

(1)傾斜煤層沿空掘進(jìn)巷道兩側(cè)圍巖結(jié)構(gòu)不對(duì)稱導(dǎo)致巷道圍巖受力不對(duì)稱，上工作面回采影響更加加劇了巷道圍巖的受力不對(duì)稱性。

圖5 掘進(jìn)過(guò)程巷道表面位移量

圖6 回采過(guò)程巷道表面位移量

(2)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算及物理相似模擬分析確定巷道變形破壞的關(guān)鍵位置，并對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)支護(hù)。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，在巷道掘進(jìn)和工作面回采過(guò)程中整個(gè)斷面錨桿受力均勻，巷道表面變形基本協(xié)調(diào)，并得到有效控制，表明支護(hù)效果較好。

[1] 張 農(nóng)，李寶玉，李桂臣，等.薄層狀煤巖體中巷道的不均勻破壞及封閉支護(hù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，201330(1):1-6. Zhang Nong，Li Baoyu，Li Guichen，et al.Inhomogeneous damage and sealing support of the roadways through thin bedded coal-rock crossovers [J].Journal of Mining and Safety Engineering，2013，30(1):1-6.

[2] 許紹明，徐 穎.大斷面軟巖巷道非對(duì)稱破壞原因分析及控制對(duì)策[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(3)：55-61. Xu Shaoming，Xu Ying.Research on asymmetric deformation mechanism and control countermeasures in large section soft rock roadway [J].Mining Safety and Environmental Protection，2013，40(3):55-61.

[3] 楊 科，謝廣祥.大傾角煤層回采巷道非對(duì)稱錨網(wǎng)索支護(hù)與實(shí)踐[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9(4):924-933. Yang Ke，Xie Guangxiang.Study on asymmetrical bolting support of retreating entry in large dip coal seam and it's practice[J].Journal of Underground Space and Engineering，2013，9(4) ：924-933.

[4] 張 蓓，曹勝根，王連國(guó)，等.大傾角煤層巷道變形破壞機(jī)理與支護(hù)對(duì)策研究[J].采礦安全與工程學(xué)報(bào)，2011，28( 2) ：214-219. Zhang Bei，Cao Shenggen，Wang Lianguo，et al.Deformation failure mechanism and support measurements in roadway of steeply inclined coal seam[J].Journal of Mining Safety and Engineering，2011，28(2):214-219.

[5] 傅清國(guó)，鄒朝陽(yáng).大屯礦區(qū)深部軟巖巷道非對(duì)稱變形機(jī)理及控制對(duì)策研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2011，13(11):102-106. Fu Qingguo，Zou Chaoyang.Asymmetric deformation failure mechanism in deep soft rock tunnel and controlling countermeasures in Datun mining area[J].China Engineering Science，2011，13(11):102-106.

[6] 何滿潮，王曉義，劉文濤，等.孔莊礦深部軟巖巷道非對(duì)稱變形數(shù)值模擬與控制對(duì)策研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(4):673-678. He Manchao，Wang Xiaoyi，Liu Wentao，et al.Numerical simulation of asymmetric deformation of deep soft rock roadways in Kongzhuang Coal Mine[J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(4):673-678.

[7] 任奮華，來(lái)興平，蔡美峰，等.破碎巖體巷道非對(duì)稱破壞與變形規(guī)律定量預(yù)計(jì)與評(píng)價(jià)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(3) ：221-232. Ren Fenhua，Lai Xingping，Cai Meifeng，et al.Quantitative prediction and evaluation on the regularity of asymmetric damage and distortion upon broken rock mass roadways [J].Journal of Beijing University of Science and Technology，2008，30(3):221-232.

[8] 王亞瓊，張少兵，謝永利，等.淺埋偏壓連拱隧道非對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(1):3265-3272. Wang Yaqiong，Zhang Shaobing，Xie Yongli，et al.Mechanical characteristics of unsymmeterical support structure of shallow-buried bias multi-arch tunnel[J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(1):3265-3272.

[9] 孫曉明，張國(guó)鋒，蔡 峰，等.深部?jī)A斜巖層巷道非對(duì)稱變形機(jī)制及控制對(duì)策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(6):1137-1143. Sun Xiaoming，Zhang Guofeng，Cai Feng，et al.Asymmetric deformation mechanism within inclined rock strata induced by excavation in deep roadway and its controlling countermeasures [J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(6):1137-1143.

[10] 鄒敏鋒，樊 宇，喬素雷.深部軟巖巷道錨網(wǎng)不對(duì)稱支護(hù)技術(shù)分析[J].基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)工程，2010，28(5):117-123. Zou Minfeng，F(xiàn)an Yu，Qiao Sulei.Analysis of asymmetrical bolt-net supporting technology in deep soft rock roadway[J].Foundation and Structural Engineering，2010，28(5):117-123.

[11] 徐 穎，許蘭寶.深部軟巖巷道非對(duì)稱變形耦合控制應(yīng)用研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(S)：274-277. Xu Ying，Xu Lanbao.Applied research of asymmetric deformation coupling control countermeasures in deep soft rock roadway[J].Journal of Anhui University of Science and Technology，2012，32(S):274-277.

(責(zé)任編輯 石海林)

Asymmetric Supporting Technology Used in the Roadway Driving Along the Empty of Tilted Coal Seam

Wang Pengju1，2Zhou Gang1，2Zou Changlei1，2Wang Hao1，2Wang Chao1，2

(1．SchoolofMechanics&CivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China；2.StateKeyLaboratoryforGeo-mechanics&DeepUndergroundEngineering，Xuzhou221116，China)

At present，most of the roadway are supported in symmetrical support methods.In view of this situation，the stress，deformation and failure characteristics of roadway surrounding rock were investigated through the theoretical analysis，numerical simulation and the physical analog simulation technique.The research indicated that the surrounding rocks of roadway driving along goaf in inclined seam appear as asymmetric state.The obtuse angle positions formed along the cross section of roadway and the rock strata dip are damaged and deformed firstly，and then with a chain reaction generated at other positions，the whole roadway is completely destroyed.Therefore，the conventional symmetric supporting technology can not guarantee the stability of surrounding rock of roadway.Aimed at the research result，the asymmetric support technology is recommended.On the basis of symmetrical support，the weak(key)positions are additionally supported to prevent the destruction of the whole roadway chain resulted from partial failure.It makes the whole cross section of roadway tend to be coordinated.Field tests on the ground pressure and the deformation of surrounding rock show that the equal stress of the bolt and the roadway deformation can meet the safety requirement.So the roadway supporting performs well and this supporting can be considered as a reference for similar roadway.

Inclined coal seam，Roadway driving along the goaf，Key parts，Asymmetric supporting

2013-12-04

王鵬舉(1988—)，男，碩士研究生。

TD353

A

1001-1250(2014)-04-070-04