大斷面煤巷采動(dòng)變形分析與支護(hù)控制設(shè)計(jì)

吳俊杰

（晉能集團(tuán)王家?guī)X煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036600）

1 工程概況

王家?guī)X煤礦位于河?xùn)|煤田南部，呂梁山脈的南麓，井田的煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量為22.87億t，工業(yè)儲(chǔ)量為11.44億t，可采煤層儲(chǔ)量7.63億t，主采煤層平均厚度6.2 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬t/年，是特大型現(xiàn)代化礦井。煤層以亮煤和鏡煤為主，暗煤少許，煤中鏡煤的內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層含1～2層泥質(zhì)夾矸，厚度0.05～0.15 m。直接頂為平均厚度2 m石灰?guī)r和1.5 m厚泥巖；偽頂為高嶺石泥巖，厚度為0.3 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖平均厚度1.53 m；老頂為軟弱砂巖與泥巖互層，平均厚度2.38 m；底板為平均厚度2.04 m的灰黑色砂質(zhì)泥巖。采動(dòng)巷道不同地點(diǎn)的頂板巖性和賦存厚度變化很大，且巷道斷面跨度大，頂板中部拉應(yīng)力集中，離層破壞范圍大。其中東四正巷是二次復(fù)用巷道，長1 846 m，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面。以東四正巷為研究對(duì)象，對(duì)其不同支護(hù)方式下煤巷非對(duì)稱變形破壞特征進(jìn)行了分析，確定了非對(duì)稱支護(hù)方案，效果理想[1-2]。

2 巷道非對(duì)稱變形破壞的分析

2.1 非對(duì)稱變形破壞特征

1）以底臌為主的非對(duì)稱變形特征。東四正巷底板主要以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，其中含有大量的膨脹性礦物，且局部有淋水現(xiàn)象，在水和外力作用下，底板巖石易發(fā)生砂化、泥化，甚至崩裂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致巖體強(qiáng)度的減弱甚至失去承載力，發(fā)生底臌現(xiàn)象[3]。

2）頂?shù)装遄冃蔚姆菍?duì)稱性特征。王家?guī)X煤礦煤質(zhì)松軟，頂板為多層泥巖組成的復(fù)合頂板，并且層理裂隙發(fā)育，分層厚度 0.1～0.3～0.5 m，裂隙間距0.1～0.5 m節(jié)理裂隙發(fā)育，易產(chǎn)生離層破壞和垮落。巷道斷面跨度大，頂板中部拉應(yīng)力集中，離層破壞范圍大。

3）幫部鼓出，嚴(yán)重部位出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。采動(dòng)劇烈影響下東四正巷，除了出現(xiàn)惡性冒頂和嚴(yán)重離層下沉外，煤幫出現(xiàn)向巷道內(nèi)整體大內(nèi)移、垮幫現(xiàn)象，煤幫局部位移量達(dá)1～2 m。

2.2 破壞原因

圍巖巖性。地下巖體為一復(fù)雜的非連續(xù)地質(zhì)體，組成成分不同，力學(xué)參數(shù)差別也非常大。

支護(hù)方式。東四正巷周邊巖層結(jié)構(gòu)為非對(duì)稱，應(yīng)力分布表現(xiàn)為非對(duì)稱性。在該條件下，傳統(tǒng)對(duì)稱支護(hù)形式支護(hù)強(qiáng)度低、支架受力不均勻，無法有效控制巷道的變形[4-5]。

地應(yīng)力。地應(yīng)力作為工程巖體賦存環(huán)境，其量級(jí)、方向以及空間分布規(guī)律直接影響圍巖的力學(xué)屬性、應(yīng)力的分布和演化規(guī)律、變形特征和破壞機(jī)制。

3 巷道非對(duì)稱支護(hù)優(yōu)化模擬與結(jié)果

3.1 模型的建立

根據(jù)王家?guī)X煤礦工程實(shí)際，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件建立計(jì)算模型，模型尺寸：長×寬×高=316.5 m×160 m×45 m，約束水平位移，底部為固定邊界，約束水平位移和垂直位移，上覆巖層的重力按均布荷載施加在模型的上部邊界，東四正巷順槽平均埋深560 m，施加荷載13.72 MPa，模型中各巖層和煤體的力學(xué)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 計(jì)算模型中巖層和煤體的力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果的分析

模擬計(jì)算可以得到非對(duì)稱形式支護(hù)結(jié)構(gòu)的syy云圖和圍巖塑性區(qū)分布情況，水平橫向應(yīng)力的最大值為2.22 N/m2，雖有一定應(yīng)力集中現(xiàn)象，但分布情況明顯轉(zhuǎn)好；syy方向的應(yīng)力等值線圖分析的水平縱向應(yīng)力的最大值為1.79 N/m2，通過szz方向的應(yīng)力云圖可以看出其最大值為2.18 N/m2，底部的應(yīng)力集中現(xiàn)象及范圍顯著減小，朝中部靠近，非對(duì)稱應(yīng)力變形特點(diǎn)有了顯著改善，呈現(xiàn)出較為對(duì)稱的應(yīng)力分布狀態(tài)。在巷道變形，幫部最大位移值為131 mm，頂板最大下沉值120 mm，底臌最大值為53 mm，在非對(duì)稱支護(hù)條件下巷道的位移特點(diǎn)和底臌現(xiàn)象顯著減小，圍巖塑性破壞范圍得到了有效控制，非對(duì)稱變形特征在對(duì)稱支護(hù)條件下得到了顯著改善。

4 工程實(shí)踐分析

4.1 支護(hù)方式與設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，可以認(rèn)為在非對(duì)稱支護(hù)條件下巷道圍巖的變形破壞特征得到有效改善，應(yīng)力載荷分布特征呈現(xiàn)出較均勻化現(xiàn)象，控制效果較為明顯。優(yōu)化后的非對(duì)稱支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 非對(duì)稱支護(hù)方案布置圖（單位：mm）

與原對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)方案相比，非對(duì)稱支護(hù)方案有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

1）頂板。將錨索改為Φ15.24 mm×8 500 mm，并于靠近左幫頂板處增設(shè)單體錨索，增加鋼絞線抗拉強(qiáng)度到1 720 MPa，加強(qiáng)巷道頂板的支護(hù)，控制巷道頂板下沉量。

2）兩幫。左幫支護(hù)密度改為6根，錨桿支護(hù)長度改為2.4 m，并增設(shè)單體錨索，將兩幫錨桿種類改為高強(qiáng)度無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，加強(qiáng)巷幫錨桿的支護(hù)強(qiáng)度，控制巷道幫部圍巖變形量。

4.2 非對(duì)稱支護(hù)效果評(píng)價(jià)

4.2.1 巷道位移監(jiān)測

采用頂板動(dòng)態(tài)儀和DB-II巷道斷面收斂計(jì)進(jìn)行巷道圍巖表面位移監(jiān)測，頂板動(dòng)態(tài)儀的目的是連續(xù)監(jiān)測巷道頂?shù)装逡平?；DB-II巷道斷面收斂計(jì)的目的是監(jiān)測巷道兩幫圍巖移近量。東四正巷試驗(yàn)段長度為200 m，巷道圍巖表面位移觀測共安設(shè)3個(gè)測站。

由圖2可以看出，東四正巷測站從開掘后20天開始收斂速度較大，到30天趨于穩(wěn)定，該階段兩幫移近量小于160 mm，頂板下沉量小于110 mm。從第50天開始收斂速度加快，到第120天重新趨于穩(wěn)定，這一階段兩幫移近量小于410 mm，頂板下沉量小于310 mm，分析原因是因?yàn)樵撾A段受24503回采工作面采動(dòng)影響。

圖2 東四正巷圍巖表面位移測站曲線

4.2.2 巷道離層監(jiān)測

在東四正巷試驗(yàn)段（長度為200 m）安設(shè)KZL-300型巷道頂板離層自動(dòng)監(jiān)測報(bào)警裝置，總計(jì)安設(shè)15個(gè)頂板位移傳感器及配套的報(bào)警器，測站間距為15 m，如圖3所示。

圖3 東四正巷頂板離層測站布置圖

東四正巷試驗(yàn)段實(shí)驗(yàn)長度為200 m。通過頂板離層的監(jiān)測結(jié)果比較分析可以得出東四正巷試驗(yàn)段測站1、測站4、測站7、測站11的離層值分別為13.5 mm、15 mm、6 mm和7 mm，頂板離層平均值不超過11 mm，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）通過工程地質(zhì)條件和工程巖體分析，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)大斷面破碎煤巷的變形破壞過程進(jìn)行分析，表明該圍巖巷道變形破壞存在顯著的非對(duì)稱性。

2）大斷面破碎煤巷非對(duì)稱變形破壞原因主要有地應(yīng)力、支護(hù)方式、水理作用，并總結(jié)了以頂?shù)装搴蛢蓭蜑橹鞯姆菍?duì)稱變形破壞特征。

3）由理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果可知，受工程地質(zhì)環(huán)境和采動(dòng)影響，王家?guī)X煤礦東四正巷處于高應(yīng)力環(huán)境中，加上支護(hù)體與關(guān)鍵部位的不耦合作用，巷道易產(chǎn)生大變形破壞。對(duì)該巷道進(jìn)行支護(hù)方式的改進(jìn)后，工業(yè)性試驗(yàn)與礦壓監(jiān)測表明，巷道圍巖變形量得到了有效控制，頂?shù)装逡平拷档土?1.4%，兩幫變形量降低了51.3%。