急傾斜綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其控制研究

趙平赪

摘 要：本文以西坡煤業(yè)2502工作面為工程背景，針對急傾斜煤層巷道圍巖變形大的難題，研究采用強力錨桿、注漿錨索、W型鋼帶、鋼筋網(wǎng)及噴砼的多結構非對稱耦合支護方案，并利用數(shù)值模擬軟件對支護方案的可行性進行驗證，通過現(xiàn)場支護效果的分析發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形得到有效控制，保證礦井的安全生產(chǎn)。

關鍵詞：圍巖應力;急傾斜煤層;圍巖急傾斜煤層;非對稱耦合支護

0 引言

隨著礦井采掘深度的不斷延伸和開采強度的加大，易開采的煤層已逐步采掘完畢，礦井的開采正向賦存條件較為復雜的煤層轉移。對于煤層傾角>45°的急傾斜煤層由于煤層頂?shù)装寮皟蓭蛶r體的巖性特殊，所以巷道的圍巖變形及礦壓顯現(xiàn)情況也復雜。急傾斜煤層巷道應力及變形呈現(xiàn)出非對稱的狀態(tài)且由于煤層傾角較大，極易引起巖層的滑移。本文過急傾斜煤層巷道圍巖破壞機理進行分析研究的基礎上，結合礦井實際提出針對性的支護技術措施，并采用數(shù)值模擬軟件對巷道支護方案進行安全驗證。同時，也為礦井地質(zhì)條件相類似的工作面巷道圍巖控制提供參考與借鑒。

1 巷道變形破壞機理研究

基于巷道圍巖松動圈理論可知，圍巖的應力分布呈現(xiàn)出非對稱的形態(tài)，所以急傾斜巷道的圍巖變形呈現(xiàn)非對的形態(tài)。急傾斜煤層巷道的礦壓顯現(xiàn)情況與緩傾斜及傾斜煤層大致相同，但在開采急傾斜時，由于煤層傾角較大，所以巖石的重力與巖石層理夾角減小，所以在層理方向上重力的作用效果明顯增大，易導致巷道頂板冒頂落。

特別是急傾斜煤層巷道煤巖在受到重力作用影響下沉，且在傾斜面上會有下滑的趨勢。所以巷道的頂板及兩幫會朝著掘進方向發(fā)生變形。隨著圍巖的松動破壞向著巖體深部擴展，頂板上部應力拱會朝著巷道的上角移動，使得巷道的應力環(huán)境重新分布。巷道兩幫由于支撐力的不均勻性，造成巷道左幫的水平及垂直壓力升高，圍巖變形嚴重，發(fā)生煤巖的破壞。同時由于應力分布的不對稱性，巷道圍巖的破壞及變形在同斷面內(nèi)也存在明顯的不對稱性，且在靠近頂板的位置圍巖變形大，所以頂板的冒頂多出現(xiàn)在這一側。對巖石的重力進行分解，分解為垂直層面的分力及沿著層面的分力，隨著煤層的傾角增大，重力在層理方向的作用逐步增大，當重力的分力大小超過巖層間的內(nèi)聚力時，巖層發(fā)生相對錯動。當煤層巷道的頂板巖層較為堅硬且煤層與相接巖層的巖性較為松軟時，滑動現(xiàn)象極為明顯，從而引起頂板的上覆巖層下沉，當巷道的底板為煤層時，底板會出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

采用非封閉式支護技術進行支護方案，鑒于巷道的底板支護，會受到圍巖應力傳遞影響，巷道的底板中部靠近下幫的位置出現(xiàn)裂縫，底板受到兩側的擠壓形成彎曲狀態(tài)，當達到新的平衡時，導致巷道底鼓的發(fā)生。

2 非對稱耦合支護技術可行性研究

在原有錨網(wǎng)索耦合支護的基礎上采用底板錨桿、注漿錨索等結構對底板進行補強支護。為了使支護效果達到最大化，對支護體及支護巖層進行變形協(xié)調(diào)，達到維護巷道穩(wěn)定性的目的。經(jīng)過分析最終確定強力錨桿、注漿錨索、W型鋼帶、鋼筋網(wǎng)及噴砼的多結構非對稱耦合支護方案。利用數(shù)值模擬軟件來驗證支護方案的可行性。

本文選取西坡煤業(yè)的2502工作面為研究對象。煤層的平均厚度為3.2m，煤層的傾角為53°，開采的2#煤層與4#煤層間存在夾矸層。老頂為細砂巖及粉砂巖組成。直接頂為1.6m的泥質(zhì)砂巖。直接頂為1.5m的泥質(zhì)粉砂巖。老頂為中厚泥質(zhì)粉砂巖1.3m。首先進行模型的建立，對模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時，對模擬結果的精確性要求不高，所以適當?shù)臏p小網(wǎng)格劃分數(shù)。完成網(wǎng)格劃分后對模型約束進行設置，支護方案選擇錨網(wǎng)索+底角錨桿相非對稱支護。完成建模過程后進行計算。計算結果如圖1所示。

由上圖可知，巷道圍巖的應力呈現(xiàn)出非對稱形態(tài)，巷道附近圍巖應力釋放明顯，且在巷道的表面圍巖應力值接近于零，在靠近巷道底板的位置低應力范圍向著巖層的深部進行延伸。最大應力值出現(xiàn)在煤層的直接頂與老頂?shù)慕佑|面上，最大應力值為25MPa，且影響范圍較大。觀察圖1（b）發(fā)現(xiàn)，巷道的左側變形明顯大于右側變形，且兩側的變形呈現(xiàn)出非對稱分別的狀態(tài)。從圖中可以看出巷道的左幫和底板的變形量較大，最大的變形位置出現(xiàn)在巷道的底板位置，底板的最大位移量達到了300mm左右，在巷道的左幫偏上的位置出現(xiàn)巖層的大幅度移動，導致巷道嚴重變形。

從圖2可以看出，對巷道進行非對稱錨網(wǎng)索支護后，圍巖的應力分布情況明顯有了大幅度改善，圍巖的主應力分布出現(xiàn)均勻化的趨勢，高應力區(qū)的應力分布逐步向著地應力區(qū)開始轉化，但在巷道的直接頂和老頂?shù)慕佑|位置出現(xiàn)小范圍的應力集中，應力最大值從25MPa降低至了20MPa。觀察支護后的圍巖圍巖分布云圖發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過錨網(wǎng)索支護后，圍巖的變形量有了大幅度的減小，巷道的最大位移變形區(qū)出現(xiàn)在巷道的左側底板，最大位移量僅為100mm，同時巷道兩幫的變形量均小于50mm，可以看出支護后的巷道圍巖變形得到了較好的改善。圍巖整體應力及位移均大幅度減小。

通過數(shù)值模擬的分析可以看出，支護后的巷道圍巖變形得到了有效的改善。將支護方案用于西坡煤業(yè)2#煤層巷道。監(jiān)測支護后的位移變形情況。巷道圍巖變形隨時間的變化曲線如圖3所示。

由圖可知隨著時間變化，巷道的圍巖變形呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，但增長的速度隨著時間的增長呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟吭?9天時區(qū)域基本穩(wěn)定，頂?shù)装宓南鄬σ平繛?36mm，巷道的兩幫移近量為115mm。頂?shù)装宓南鄬σ平吭谇?9天時的平均速度為7.9mm/d，且最大的變形速度為11.3mm/d。隨著時間的增加，頂板及底板的移近量呈現(xiàn)出減小的趨勢，19天以后的平均速度降低至1.7mm/d。巷道的兩幫的相對移近量在前19天時的平均速度為3.5mm/d，且最大的變形速度為7mm/d。隨著時間的增加，兩幫的移近量出現(xiàn)減小的趨勢，19天以后的平均速度降低至0.9mm/d。在掘巷支護的前期，由于掘進的影響，巷道的變形較大，隨著掘進時間的增加，支護體與巷道的圍巖相互耦合，此時的巷道變形量趨于穩(wěn)定，采用該支護方案有效控制巷道圍巖形變。

3 結論

為控制急傾斜煤層巷道圍巖變形大的難題，西坡煤業(yè)研究出強力錨桿、注漿錨索、W型鋼帶、鋼筋網(wǎng)及噴砼的多結構非對稱耦合支護技術。并采用數(shù)值模擬對支護前后的圍巖應力場及位移場進行對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的最大應力值降低5 MPa，巷道圍巖兩幫的移近量降低至100mm?，F(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，巷道頂板及底板的移近量未236mm，最高移近速度為11.3mm/d，兩幫的最大移近量為115mm，最大移近速度為7mm/d，支護效果良好，保證礦井的安全生產(chǎn)。