急傾斜煤層重復(fù)采動(dòng)回采巷道變形破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)研究

張艷麗，解盤石，伍永平

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

中國煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重基本保持在50%左右，是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。其中，急傾斜煤層(埋藏傾角45°以上)占全國煤炭儲(chǔ)量的10%，年產(chǎn)量約占全國煤炭總產(chǎn)量的10%，我國四川省、貴州省、云南省等地區(qū)80%的礦區(qū)賦存有該類煤層，且大部分為優(yōu)質(zhì)的煤炭資源[1-3]。因此，急傾斜煤層開采對中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的作用。然而，回采巷道圍巖穩(wěn)定是急傾斜煤層開采亟待解決的關(guān)鍵難題之一[4-8]。大量研究與實(shí)踐表明，急傾斜煤層與近水平煤層回采巷道圍巖賦存狀況差異大，巷道兩幫為煤層頂?shù)装?，巖性存在差異，而巷道的頂、底板多為煤層，節(jié)理裂隙發(fā)育且強(qiáng)度較弱，開采擾動(dòng)下巷道變形破壞特征較一般條件煤層更為復(fù)雜[9-14]。本文結(jié)合趙家壩煤礦急傾斜煤層軟巖回采巷道工程實(shí)踐，采用現(xiàn)場測試、數(shù)值計(jì)算和物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方法，深入分析急斜煤層回采巷道變形破壞特征，提出重復(fù)采動(dòng)影響下回采巷道的形狀及支護(hù)方法，可為該類煤層開采巷道支護(hù)難題提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

趙家壩煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，目前可采煤層自上而下依次為8#、9#、10#煤層，煤層傾角在55°以上，煤層間距小，其中9#煤層與10#煤層平均間距約2m。根據(jù)煤層賦存情況及開采技術(shù)條件，該礦采用偽俯斜走向長壁采煤法，同一區(qū)段工作面自上而下回采。3964工作面位于9#煤層，工作面傾斜長80m，走向長360m，平均傾角64°。3964巷道屬半煤巖巷，埋深約600m，煤層層理和節(jié)理高度發(fā)育、夾矸多，煤層頂?shù)装寰鶠槟?、炭質(zhì)軟弱巖石，巷道底板距10#煤層距離小，僅1.32m。巷道斷面為等腰梯形，凈高2.4m，寬3.0m，巷道采用工字鋼架棚支護(hù)，上方空洞采用木材背板架實(shí)。該巷道為沿空留巷，相繼服務(wù)于兩個(gè)工作面，服務(wù)年限長。巷道不僅受到本層煤兩個(gè)工作面開采擾動(dòng)影響，也受到8#和10#煤層工作面開采擾動(dòng)，煤巖層綜合柱狀圖及巷道布置關(guān)系如圖1所示。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖及巷道布置關(guān)系

2 急傾斜煤層回采巷道變形破壞特征

由于3964工作面回采巷道圍巖構(gòu)造與應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，加上受重復(fù)采動(dòng)影響，在巷道掘進(jìn)和工作面開采過程中巷道發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，當(dāng)3964工作面開采階段，巷道首先出現(xiàn)底鼓，繼而引起巷道幫腳破壞，最終導(dǎo)致頂板下沉，靠近煤層底板側(cè)工字鋼棚腿出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲、扭轉(zhuǎn)和鉆底現(xiàn)象。當(dāng)3966工作面開采階段，巷道斷面逐漸由梯形變成不規(guī)則四邊形，局部頂?shù)装逡平窟_(dá)1m，需多次維修才能勉強(qiáng)維持生產(chǎn)。

3 急傾斜煤層回采巷道圍巖松動(dòng)圈測試

現(xiàn)場采用多通道透視雷達(dá)對3964工作面回采巷道進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈探測，最大探測深度為12m，試驗(yàn)段共設(shè)置了8個(gè)測站，間距為10～15m，每個(gè)測站依次在巷道底板、靠近煤層底板側(cè)巷幫、巷道頂板、靠近煤層頂板側(cè)巷幫布置4條測線，巷道測線布置方式如圖2所示。

圖2 巷道測線布置方式

根據(jù)現(xiàn)場多個(gè)測站測試結(jié)果可知，不同測站的圍巖松動(dòng)圈大小不同，同一測站不同部位的圍巖松動(dòng)范圍也不盡相同。以二號測站的圍巖松動(dòng)圈探測結(jié)果為例，巷道底板、靠近煤層底板側(cè)巷幫、巷道頂板和靠近煤層頂板側(cè)巷幫分別在深度2.5～4.0m、2.1～4.2m、1.2～2.3m和1.7～4.2m范圍內(nèi)，波形明顯彎曲，之后波形區(qū)域平緩，波形出現(xiàn)明顯彎曲的位置為圍巖松動(dòng)圈的范圍。

松動(dòng)圈測試結(jié)果見表1，由巷道圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果可以看出，測試中巷道底板、靠近煤層底板側(cè)巷幫、巷道頂板和靠近煤層頂板側(cè)巷幫的圍巖松動(dòng)圈范圍分別為1.4～5.5m、1.8～4.5m、1.5～4.0m和1.8～4.1m?？傮w看來，巷道圍巖松動(dòng)圈具有明顯的非對稱特征，巷道底板松動(dòng)圈范圍最大，靠近煤層底板側(cè)巷幫松動(dòng)圈與靠近煤層頂板側(cè)巷幫次之，巷道頂板松動(dòng)圈范圍最小，松動(dòng)圈測試結(jié)果與現(xiàn)場巷道圍巖變形特征具有一致性。

4 急傾斜煤層回采巷道形狀及支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)巷道變形破壞特征及圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果，利用9#煤層直接頂板完整性較好、強(qiáng)度較大的特點(diǎn)，將巷道斷面形狀調(diào)整為半斜墻拱形，其中，靠近煤層頂板側(cè)巖層為斜墻，斜長2.6m，另一側(cè)巷幫及巷道頂板為半徑1.5m和4.3m的雙心拱，巷道高為2.5m，底板寬為3.4m。

表1 松動(dòng)圈測試結(jié)果

基于圍巖變形及松動(dòng)圈測試結(jié)果，結(jié)合該礦以往的巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，初步提出了采用“強(qiáng)力錨桿+長錨索+W鋼帶+鋼筋網(wǎng)”非對稱耦合支護(hù)方式，每個(gè)斷面巷道兩幫及頂板共布置9根Φ18mm×2000mm高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，靠近煤層底板側(cè)巷道底板布置2根Φ18mm×1800mm高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm，并配合W鋼帶和菱形金屬網(wǎng)。同時(shí)每排布置5根Φ17.8mm×6000mm雙股籠形錨索，間排距1000mm×3200mm，巷道斷面形狀與支護(hù)方案設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 巷道斷面形狀與支護(hù)設(shè)計(jì)方案(mm)

5 急傾斜煤層回采巷道圍巖變形破壞特征的數(shù)值模擬

根據(jù)初步設(shè)計(jì)的巷道斷面形狀與支護(hù)方案，采用FLAC2D數(shù)值計(jì)算軟件對急傾斜煤層回采巷道不同開采階段的圍巖變形破壞特征進(jìn)行了模擬和分析，不同開采階段巷道圍巖變形破壞特征如圖4所示。

圖4 不同開采階段巷道圍巖變形破壞特征

巷道初掘后未支護(hù)時(shí)，由圖4(a)可知，巷道底板及靠近煤層底板側(cè)巷幫變形較巷道頂板及靠近煤層頂板側(cè)巷幫大，即兩側(cè)變形呈現(xiàn)明顯的非對稱性，最大變形出現(xiàn)在底板，位移量達(dá)到0.309m。由圖4(b)可知，巷道圍巖破壞范圍較大，其中靠近煤層底板側(cè)巷幫破壞深度較大，最大達(dá)4m，以剪切破壞為主；底板和靠近煤層頂板側(cè)巷幫圍巖以拉伸破壞為主。

圖4(c)表明，巷道在支護(hù)下，圍巖變形大大減小，底板變形量較兩幫和頂板大，最大變形位于底板中部的軟弱巖層中，變形量為0.10m，兩幫的變形最大值約0.05m。圖4(d)表明，靠近煤層底板側(cè)巷幫深部圍巖的剪切破壞范圍及巷道底板和靠近煤層頂板側(cè)巷幫圍巖拉伸破壞均明顯減少，僅靠近煤層底板側(cè)巷幫下側(cè)有較小的剪應(yīng)力破壞范圍，非對稱耦合支護(hù)改善了圍巖的整體強(qiáng)度，巷道圍巖的破壞范圍零星分布。

由圖4(e)可以看出，上區(qū)段3964工作面開采后，巷道變形量顯著增加，其中巷道底板變形量最大，最大變形量為0.40m。由圖4(f)可以看出，3964工作面開采后，工作面頂板破壞應(yīng)力主要以拉應(yīng)力為主。

圖4(g)和圖4(h)表明，下區(qū)段3966工作面開采后，巷道圍巖變形量較大，巷道底板和靠近煤層頂板側(cè)巷幫變形量較大，最大變形量位于底板，最大值為0.50m。由此說明下區(qū)段開采后，整個(gè)巷道變形劇烈，呈現(xiàn)“頂板下挫，底板隆起”的變形破壞形式。

6 急傾斜煤層回采巷道圍巖變形破壞特征的物理相似模擬實(shí)驗(yàn)

采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方法來研究半斜墻拱形巷道的支護(hù)形式及受采掘影響后巷道圍巖的變形破壞特征，實(shí)驗(yàn)選用平立組合加載相似模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置頂部和兩側(cè)幫分別布置9個(gè)千斤頂，可實(shí)現(xiàn)頂部和側(cè)幫加載，頂部和側(cè)幫最大加載載荷為270kN(0.3MPa)。

式中，lp為現(xiàn)場原型的幾何尺寸，mm；sp為現(xiàn)場原型的位移，mm；γp為現(xiàn)場原型容重，N/m3；σp為現(xiàn)場原型的應(yīng)力，MPa；Fp為現(xiàn)場原型的載荷，MPa；lm為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀纬叽?，mm；sm為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ臀灰?，mm；γm為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿葜?，N/m3；σm為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力，MPa；Fm為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷妮d荷，MPa。

根據(jù)工作面綜合柱狀圖和煤巖物理力學(xué)參數(shù)，確定各煤巖層相似材料配比，相似材料配比見表2，相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

表2 相似材料配比

圖5 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?mm)

實(shí)驗(yàn)采用施加頂壓和側(cè)壓的方式來模擬巷道上覆巖層的靜載及采掘影響的動(dòng)載，最終破壞形式如圖6(a)所示。

采用全站儀和百分表對巷道表面位移進(jìn)行全程監(jiān)測。全站儀監(jiān)測結(jié)果顯示，圍巖變形量隨著采動(dòng)的影響呈增加趨勢，其中靠近煤層底板側(cè)巷幫變形量最大，巷道底板和靠近煤層頂板側(cè)巷幫次之，巷道頂板最小。巷道圍巖表面位移特征如圖6(b)所示，由圖6(b)可知，上區(qū)段3964工作面和下區(qū)段3966工作面開采后巷道底板側(cè)巷幫變形量分別為15mm(實(shí)際0.15m)和40mm(實(shí)際0.4m)，底板變形量分別為7mm(實(shí)際0.07m)和16mm(實(shí)際0.16m)，靠近頂板側(cè)巷幫變形量為5mm(實(shí)際0.05m)和10mm(實(shí)際0.1m)，巷道頂板變形量為2mm(實(shí)際0.02m)和5mm(實(shí)際0.05m)。

圖6 巷道圍巖表面變形特征

采掘影響前后巷道表面位移結(jié)果如圖7(c)所示，由圖7(c)可知，3964工作面和3966工作面開采結(jié)束后，靠近煤層底板側(cè)巷幫圍巖發(fā)生移動(dòng)的范圍達(dá)到0.3～0.4m(實(shí)際3～4m)，巷道底板和靠近煤層頂板側(cè)巷幫圍巖發(fā)生移動(dòng)的范圍約0.2m，巷道頂板巖體移動(dòng)范圍約0.2～0.3m(實(shí)際2～3m)，與圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果基本一致。

7 結(jié) 論

在對原巷道圍巖變形破壞特征和圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，初步確定了巷道斷面形狀和支護(hù)方案，同時(shí)采用數(shù)值模擬和物理相似模擬實(shí)驗(yàn)方法，對急傾斜回采巷道變形失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，主要結(jié)論如下：

1)急傾斜煤層回采巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，且受重復(fù)采動(dòng)影響，巷道變形呈“底板隆起，頂板下挫”的非對稱變形特征，靠近煤層底板側(cè)棚腿嚴(yán)重彎曲、扭轉(zhuǎn)和鉆底現(xiàn)象。

2)巷道圍巖松動(dòng)圈具有明顯的非對稱特征，巷道底板松動(dòng)圈范圍最大，靠近煤層底板側(cè)巷幫松動(dòng)圈與靠近煤層頂板側(cè)巷幫次之，巷道頂板松動(dòng)圈范圍最小。

3)初步確定將巷道斷面形狀改為半斜墻拱形，并提出了采用“強(qiáng)力錨桿+長錨索+ W型帶+鋼筋網(wǎng)非對稱錨網(wǎng)索”支護(hù)方案。

4)數(shù)值模擬和物理相似模擬結(jié)果表明，對于急傾斜煤層半斜墻拱巷道斷面具有良好的適應(yīng)性，在巷道初掘階段非對稱巖體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布導(dǎo)致巷道變形失穩(wěn)；3964和3966兩個(gè)工作面開采擾動(dòng)階段導(dǎo)致煤層底板側(cè)巷幫下挫，巷道頂板處煤層受到兩側(cè)巖層的錯(cuò)動(dòng)和擠壓發(fā)生壓剪破壞，靠近煤層底板側(cè)巷道底板發(fā)生明顯底鼓。