煤巷非對稱破壞與支護(hù)設(shè)計(jì)探討

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700）

1 概況

新大地煤業(yè)公司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2.04m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1846m，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面。以東四正巷為實(shí)例，對其不同支護(hù)方式下煤巷非對稱變形破壞特征進(jìn)行分析，確定了非對稱支護(hù)方案，支護(hù)效果良好。

2 巷道非對稱變形破壞的分析

2.1 非對稱變形破壞特征

（1）以底臌為主的非對稱變形特征。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。

（2）頂?shù)装遄冃蔚姆菍ΨQ性特征。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0.1～0.5m，裂隙間距0.1～0.5m，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

（1）巖性強(qiáng)度。地下巖體為復(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。

（2）支護(hù)方式。東四正巷周邊巖層結(jié)構(gòu)為非對稱，應(yīng)力分布表現(xiàn)為非對稱性。在該條件下，傳統(tǒng)對稱支護(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。

（3）地應(yīng)力。地應(yīng)力作為工程巖體賦存環(huán)境，其量級、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 巷道非對稱支護(hù)數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

根據(jù)該礦工程實(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×45m，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560m，施加荷載13.72MPa，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)果分析

模擬計(jì)算可以得到非對稱形式支護(hù)結(jié)構(gòu)的云圖和圍巖塑性區(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，非對稱應(yīng)力變形特點(diǎn)有了顯著改善，呈現(xiàn)出較為對稱的應(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，非對稱變形特征在對稱支護(hù)條件下得到了顯著改善。

4 工程實(shí)踐

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)化后的非對稱支護(hù)方案見圖1。

圖1 非對稱支護(hù)方案布置（單位/mm）

與原對稱支護(hù)設(shè)計(jì)方案相比，非對稱支護(hù)方案進(jìn)行以下改進(jìn)：

（1）頂板。將錨索改為椎15.24 mm×8500 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1720MPa，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2.4m，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，以控制巷道幫部圍巖變形量。

4.2 非對稱支護(hù)效果

（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200m，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回采工作面的采動(dòng)影響。

圖2 東四正巷圍巖表面位移測站曲線

（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15m，見圖3。

圖3 東四正巷頂板離層測站布置

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)語

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稱性。

2）大斷面破碎煤巷非對稱變形破壞原因主要有地應(yīng)力、支護(hù)方式、巖性強(qiáng)度等，并總結(jié)了以頂?shù)装搴蛢蓭蜑橹鞯姆菍ΨQ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，該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。對該巷道進(jìn)行支護(hù)方式的改進(jìn)后，應(yīng)用表明，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%。