石炭井二礦傾斜煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究

沈 攀，陳新年，熊咸玉

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610052)

煤炭是我國主要的能源，煤炭資源開采在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有不可或缺的地位。隨著煤炭資源的不斷開采，重心逐步向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移[1]。西部地區(qū)傾斜煤層儲(chǔ)量在煤炭總儲(chǔ)量中占有相當(dāng)大的比重，占比約為10.1%[2]。開展傾斜煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)研究對西部地區(qū)煤炭資源安全、高效開采具有重要意義。

傾斜煤層巷道圍巖應(yīng)力分布特征復(fù)雜多樣[3]，由于受到煤層傾角以及巷道周圍非均質(zhì)的復(fù)雜巖性影響，在巷道開挖后周圍圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)非對稱分布，導(dǎo)致巷道也呈現(xiàn)出非對稱破壞，給巷道圍巖穩(wěn)定性控制帶來很大難題。部分學(xué)者針對傾斜煤層巷道圍巖應(yīng)力分布特征以及支護(hù)措施進(jìn)行了大量研究，如王鵬舉等[4]通過采用多種手段相結(jié)合的方法對傾斜煤層巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了巷道圍巖首先在傾斜方向鈍角處發(fā)生破壞；魏思祥等[5]通過數(shù)值模擬分析了不同傾角巷道圍巖在動(dòng)載作用下的應(yīng)力分布規(guī)律，得出巷道圍巖應(yīng)力隨著煤層傾角的增加逐漸向低幫幫角出移動(dòng)，最終聚集在低幫頂角處；鄭汝育等[6]運(yùn)用相似模型試驗(yàn)對不同傾角巷道開挖后地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了不同傾角巷道開挖后的地表下沉曲線；樊克恭[7]通過大量現(xiàn)場實(shí)測、理論分析以及數(shù)值模擬研究了弱結(jié)構(gòu)巷道圍巖破壞的主控性，并提出了非均稱控制機(jī)理與控制方法；吳海[8]利用三維物理模擬試驗(yàn)進(jìn)行了10°和90°兩種傾角的相似試驗(yàn)，揭示了深部傾斜巖層巷道圍巖變形的非均稱特征；姜鵬飛等[9]采用數(shù)值模擬研究了不同預(yù)應(yīng)力下軟巖巷道的錨桿支護(hù)效果，得出適當(dāng)提高錨桿預(yù)應(yīng)力有助于控制軟巖巷道圍巖變形；張日林[10]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法對大斷面巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究；侯濤[11]采用數(shù)值模擬對剛性支護(hù)和柔性支護(hù)效果進(jìn)行了驗(yàn)證；劉俸菁[12]研究了緩傾斜層狀圍巖巷道塑性區(qū)分布與破壞機(jī)制、層狀圍巖巷道塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律與特性，淺析了層狀圍巖巷道控制原理與原則;張杰等[13]通過對王洼煤礦區(qū)段煤柱進(jìn)行應(yīng)力和鉆孔窺視實(shí)測的技術(shù)手段，研究了緩傾斜煤層煤柱內(nèi)部破壞情況；單仁亮[14]采用數(shù)值模擬的手段分析了大斷面半圓拱形巷道的圍巖應(yīng)力場和位移場，得出了應(yīng)力向巷道邊角處集中的規(guī)律，并對支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。

通過大量研究可以看出對于傾斜煤層巷道而言，在巷道開挖后其應(yīng)力分布表現(xiàn)出明顯的非對稱性，這種非對稱特征根據(jù)煤層傾角、巷道周圍非均質(zhì)巖性以及地應(yīng)力大小的不同表現(xiàn)出不同的分布特征，根據(jù)不同的應(yīng)力分布特征采取針對性的支護(hù)措施對巷道圍巖穩(wěn)定性控制起到重要作用。因此,本文結(jié)合石炭井二礦傾斜煤層巷道工程背景，展開了傾斜煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

石炭井二礦位于西部寧夏高山地區(qū)，地表巖石裸露，地面無建筑物及保護(hù)物，距地表垂直埋深449～520 m，煤層傾角27°。煤層平均厚度5.6 m，煤層頂板從下往上依次為泥巖、中粒砂巖、粉砂巖；煤層底板從上往下依次為泥巖、粉砂巖。巷道斷面確定為直角梯形巷道，巷道跨度4.5 m，低幫高3 m。

1.2 巷道變形破壞特征

對于石炭井二礦傾斜煤層直角梯形巷道而言，采用常規(guī)支護(hù)方案后，仍不能有效地控制巷道持續(xù)變形，石炭井二礦原有支護(hù)形式及現(xiàn)場巷道圍巖破壞狀態(tài)如圖1所示，巷道頂板出現(xiàn)明顯不均勻沉降，頂板肩角處破壞最為嚴(yán)重；兩幫大量片幫垮落，右?guī)?低幫)破壞遠(yuǎn)大于左幫(高幫)；巷道圍巖局部的大面積變形破壞，整體呈現(xiàn)為非對稱破壞。

圖1 傾斜煤層直角梯形巷道圍巖變形破環(huán)Fig.1 Deformation of surrounding rock deformatio n right angle trapezoidal roadwa n inclined coal seam

根據(jù)彈塑性極限平衡理論以及巷道圍巖分布規(guī)律對石炭井二礦巷道兩幫圍巖塑性區(qū)分布情況進(jìn)行理論分析。建立力學(xué)模型(圖2)，當(dāng)兩幫煤壁采用錨桿支護(hù)后，在巷道兩幫從淺到深將會(huì)出現(xiàn)支護(hù)區(qū)(LS)、塑性區(qū)(LP)、彈性區(qū)(LE)以及深部未受到開挖影響的原巖應(yīng)力區(qū)。

圖2 幫部力學(xué)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mechanica odel of the gang

通過分析可得出圍巖塑性區(qū)范圍見式(1)。

(1)

式中：m為兩幫高度，m；φ、C分別為煤層內(nèi)摩擦角和黏聚力；k為應(yīng)力集中系數(shù)；H為埋深，m；γ為煤的容重；A為測壓系數(shù)。

由式(1)可知，影響緩傾斜軟煤層直角梯形巷道兩幫塑性區(qū)范圍差異的主要因素是巷道兩幫高度即臨空煤層厚度m。在直角梯形巷道中低幫高度小于高幫，因此低幫塑性區(qū)范圍以及應(yīng)力集中區(qū)域小于高幫。大量應(yīng)力在低幫淺部以及頂板靠近低幫側(cè)集中，加之巷道原有支護(hù)形式并未采取相應(yīng)針對性措施，從而導(dǎo)致巷道兩幫及頂板出現(xiàn)嚴(yán)重非對稱破壞。

2 巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型的建立

在理論分析以及現(xiàn)場破壞特征分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)石炭井二礦區(qū)的工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對石炭井二礦傾斜煤層巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的研究，為支護(hù)方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 以摩爾-庫侖準(zhǔn)則為破壞準(zhǔn)則建立傾角為27°的計(jì)算模型。 模型尺寸為40 m×40 m×40 m，左右邊界水平固定，上下邊界垂直固定，在模型頂面施加10 MPa豎向應(yīng)力來模擬地應(yīng)力的作用，分析直角梯形巷道圍巖應(yīng)力非對稱分布特征。

2.2 結(jié)果分析

1) 巷道圍巖應(yīng)力分布。圖3為傾斜煤層巷道圍巖應(yīng)力分布。由圖3可知，巷道圍巖應(yīng)力分布呈現(xiàn)非對稱特征，頂板及底板圍巖豎向應(yīng)力集中區(qū)域整體向巷道低幫側(cè)偏斜；巷道圍巖水平應(yīng)力主要集中分布在巷道四個(gè)尖角處，與煤層傾角相同方向?qū)ΨQ的兩尖角處表現(xiàn)為明顯的壓應(yīng)力區(qū)，而相反方向兩尖角處則表現(xiàn)為明顯的拉應(yīng)力區(qū)，且壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在巷道頂板的兩尖角處。

圖3 巷道應(yīng)力分布Fig.3 Roadway stress distribution

圖4 巷道位移分布Fig.4 Roadway displacement distribution

2) 巷道圍巖位移分布。圖4為緩傾斜煤層巷道位移分布。由圖4可知，巷道頂板和底板變形較大的區(qū)域集中在右?guī)蛡?cè)，而巷道兩幫的變形集中在高幫側(cè)，且巷道高幫位移比低幫大40～50 mm，其主要是由于兩幫高度的差異導(dǎo)致應(yīng)力分布不均所致。

2.3 非對稱支護(hù)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)石炭井二礦現(xiàn)場變形破壞特征以及傾斜煤層直角梯形巷道圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果，針對石炭井二礦傾斜煤層巷道非對稱應(yīng)力分布特征以及非對稱塑性區(qū)范圍，提出針對性的非對稱支護(hù)設(shè)計(jì)原則。其中，巷道頂板擬采用錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)的手段進(jìn)行穩(wěn)定性控制，錨桿布置采用傾斜式安裝，向低幫傾斜，以便于加強(qiáng)對頂板低幫側(cè)高應(yīng)力集中的控制，適當(dāng)加密錨桿安裝；巷道兩幫圍巖應(yīng)采取非對稱的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性控制，低幫由于應(yīng)力集中較大，其相同面積上錨桿安裝密度應(yīng)適當(dāng)增大，以提供對兩幫非對稱的支護(hù)阻力來減弱巷道兩幫非對稱應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響。

3 石炭井二礦支護(hù)設(shè)計(jì)及效果分析

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場破壞狀態(tài)及數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出了針對石炭井二礦傾斜煤層巷道圍巖穩(wěn)定性控制的非對稱支護(hù)方案，具體參數(shù)為：頂錨桿為直徑20 mm螺紋鋼筋，長度2.7 m，間排距均為0.8 m；幫錨桿為直徑16 mm圓鋼，長度2.0 m；高幫間距為1 m，排距為0.8 m；低幫間距為0.8 m，排距為0.8 m；四個(gè)幫角進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，分別設(shè)立直徑20 mm螺紋鋼筋。錨索采用直徑15.24 mm鋼絞線錨索，長度為5 m，外露長度0.25 m，水平間距分別為1.8 m和1.4 m，排距2.4 m。

3.2 支護(hù)模型建立

在建立了石炭井二礦傾斜煤巷道的開挖模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)錨桿、錨索參數(shù)確定合適的數(shù)值模擬支護(hù)參數(shù)對巷道模型進(jìn)行開挖支護(hù)模擬即可。

3.3 結(jié)果分析

1) 支護(hù)后巷道應(yīng)力分布。圖5為巷道支護(hù)后應(yīng)力云圖。由圖5可知，巷道支護(hù)前后應(yīng)力分布差異明顯，對巷道進(jìn)行支護(hù)后，巷道圍巖的豎向應(yīng)力分布均勻，其非對稱特征得到明顯改善，使原本偏斜的應(yīng)力非對稱分布向巷道頂?shù)装逯胁哭D(zhuǎn)移；其水平應(yīng)力分布狀態(tài)差異較大，各邊角處應(yīng)力集中差異顯著減小，說明采用具有針對性的非對稱支護(hù)方案能有效解決巷道應(yīng)力非對稱問題。這種變化十分有利于巷道圍巖的穩(wěn)定，說明在錨桿的預(yù)應(yīng)力作用下，巷道邊角處應(yīng)力集中的發(fā)展及轉(zhuǎn)移得到有效控制，改善了巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使巷道圍巖應(yīng)力分布均勻，從而提高了巷道的整體穩(wěn)定性。

圖5 支護(hù)后應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud after support

2) 支護(hù)后巷道圍巖位移分析。圖6為巷道支護(hù)后位移云圖，與支護(hù)前對比分析可以看出，巷道在支護(hù)后頂板最大沉降量為65.2 mm，底板最大隆起為42.8 mm，高幫最大位移為45 mm，低幫最大位移為29.3 mm，巷道支護(hù)前后圍巖變形差異明顯。這說明在支護(hù)方案實(shí)施后巷道非對稱應(yīng)力得到緩解，應(yīng)力逐漸趨于均布，其變形破壞得到有效控制，在錨桿(索)共同作用下將巷道表面松散圍巖連接成為一個(gè)整體并固定在深部穩(wěn)定巖層中，使得巷道整體穩(wěn)定性得到提高。

通過對比分析表明，支護(hù)后的變形量也達(dá)到了給定的設(shè)計(jì)規(guī)范值，說明該支護(hù)方案能有效能達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定性的目的。

4 工程應(yīng)用

本文提出了石炭井二礦傾斜煤層直角梯形巷道的支護(hù)方案，經(jīng)過數(shù)值模擬分析驗(yàn)證后，在石炭井二礦2474綜采工作面巷道進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施，在巷道圍巖50 m處的斷面布置監(jiān)測站對巷道圍巖表面位移(頂板下沉、兩幫相對位移)、錨桿受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖7和圖8。

圖6 支護(hù)后位移云圖Fig.6 Post-displacement cloud map

圖7 斷面巷道變形量圖Fig.7 Section roadway deformation map

圖8 斷面錨桿荷載Fig.8 Section bolt load

由圖7可知，頂板最大沉降量為98 mm，12 d后達(dá)到基本穩(wěn)定，最終沉降速率不超過0.1 mm/d；兩幫最大相對收斂量為72 mm，15 d后達(dá)到基本穩(wěn)定，最終收斂速率不超過0.08 mm/d。由圖8可知，錨桿荷載最大值為35 kN，20 d后錨桿受力趨于穩(wěn)定，錨桿荷載變化速率不超過0.4 kN/d。通過對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析可以看出，巷道頂板下沉量、兩幫收斂量、錨桿受力均在合理范圍之內(nèi)，達(dá)到了控制圍巖穩(wěn)定性的目的，說明了前期數(shù)值模型建立的合理性及支護(hù)方案的可靠性。

5 結(jié) 論

1) 傾斜煤層直角梯形巷道圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯的非對稱分布特征：頂?shù)装遑Q向應(yīng)力向低幫側(cè)偏斜，水平應(yīng)力在巷道尖角處集中，在頂板兩側(cè)尖角處表現(xiàn)得尤為突出。

2) 結(jié)合現(xiàn)場破壞特征以及數(shù)值模擬分析結(jié)果提出了石炭井二礦傾斜煤層巷道支護(hù)方案，對低幫及相鄰頂板-頂角處進(jìn)行了加密支護(hù)處理。

3) 采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實(shí)施對支護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方案能有效控制傾斜煤層直角梯形巷道的非對稱變形破壞；根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力非對稱分布規(guī)律提出針對性的支護(hù)方案對傾斜煤層巷道圍巖穩(wěn)定性控制具有重要作用。