基于斷面形狀效應(yīng)的厚頂煤巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

李曉斌，楊張杰，翟恩發(fā)，劉念全，王慶牛

(1.華興能源有限責(zé)任公司 唐家會煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017006； 2.安徽省煤炭科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001)

內(nèi)蒙古西部礦區(qū)特厚煤層儲量豐富，為了提高生產(chǎn)效率，目前西部礦區(qū)針對特厚煤層的開采，多采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝[1-2]，工作面回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)且多采用矩形斷面[3-5]，巷道頂板為厚層煤體，加之綜放設(shè)備趨于大型化，這類巷道不僅斷面大，而且受采掘影響后頂板煤體易出現(xiàn)離層破碎、頂板兩側(cè)肩角錨桿易出現(xiàn)剪切破斷等礦壓顯現(xiàn)象特征，支護(hù)問題突出[6-7]。

近年來，國內(nèi)一些大專院校、科研單位及企業(yè)工程技術(shù)人員對厚頂煤巷道支護(hù)問題及巷道斷面形狀對圍巖穩(wěn)定性的影響均進(jìn)行了多方面研究。何富連等[8]針對厚頂煤大斷面巷道頂煤裂隙發(fā)育、變形強(qiáng)烈、破壞范圍大、易發(fā)生離層和冒頂?shù)葐栴}，指出采用桁架錨索加強(qiáng)支護(hù)，可有效控制巷道圍巖變形；李術(shù)才等[9]針對巨野礦區(qū)深部高地應(yīng)力厚頂煤巷道支護(hù)特點，提出了“先抗后讓再抗”的支護(hù)理念；韓現(xiàn)民等[10]通過數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗，對馬蹄形斷面和大曲率邊墻、似圓形斷面形式下隧道的支護(hù)受力和圍巖變形特征進(jìn)行了對比分析，得出采用似圓形斷面可以有效地控制圍巖的變形量和變形速率；李桂臣等[11]對矩形、直墻半圓拱形等6種巷道斷面形狀進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出了巷道支護(hù)“等效開挖”和“無效加固區(qū)”的概念。然而上述研究多集中于巷道斷面形狀對圍巖穩(wěn)定性的影響及厚頂煤巷道圍巖變形控制問題，而對于決定厚頂煤巷道最終破壞形式的巷道頂板兩側(cè)肩角處剪切破壞仍未引起足夠重視[12]。筆者以唐家會礦61201運(yùn)輸巷為工程背景，在對矩形和直墻平頂肩角微拱形厚頂煤巷道應(yīng)力分布特征進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，提出了巷道斷面形狀優(yōu)化方案及合理支護(hù)參數(shù)。

1 工程概況

61201綜放面位于唐家會礦首采盤區(qū)西翼，工作面東至6煤回風(fēng)大巷，西至井田邊界，北至首采盤區(qū)北邊界以北62 m，南至首采盤區(qū)北邊界以南215 m。61201運(yùn)輸巷長2 100 m，平均埋深523.6 m，巷道沿6煤底板掘進(jìn)，為全煤巷道。

6煤厚度10.4～25.0 m，平均厚17.5 m，煤層傾角1°～3°，平均2°，煤層內(nèi)不僅原生裂隙發(fā)育，且含有多層泥巖夾矸，夾矸厚度不穩(wěn)定，強(qiáng)度低；巷道直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度2.4～3.2 m，平均厚2.8 m；基本頂為富水中細(xì)砂巖，厚度4.75～18.30 m，平均厚8.76 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度3.99～7.12 m，平均厚5.49 m；基本底為細(xì)砂巖，厚度10.28～12.57 m，平均厚11.68 m。

61201綜放工作面運(yùn)輸巷初步設(shè)計采用矩形斷面，錨索網(wǎng)支護(hù)，巷道凈斷面5.5 m×3.8 m。頂板錨桿規(guī)格φ20 mm×2 500 mm，巷幫錨桿規(guī)格φ18 mm×2 200 mm，頂板錨索規(guī)格φ21.6 mm×8 300 mm；頂板錨桿與錨索均布置在頂板W5鋼帶上，每排共布置7根錨桿(索)，頂板錨索按“3-1”布置，即第1排W5鋼帶上1、4、7號孔眼位置布置錨索，第2排W5鋼帶上僅巷中4號孔眼布置錨索，其余位置布置錨桿，如此類推；頂、幫錨桿(索)間排距均為800 mm×900 mm。

根據(jù)礦壓觀測及巷道支護(hù)調(diào)查，該巷道矩形斷面支護(hù)段圍巖變形具有如下特點：①巷道成型差。由于6煤原生裂隙、特別是縱向裂隙發(fā)育，巷道掘進(jìn)時掘進(jìn)面煤壁片幫嚴(yán)重，巷道成型差；②巷道變形快、頂煤破碎嚴(yán)重。根據(jù)鉆孔窺視(圖1)，巷道掘進(jìn)僅7 d，頂板淺部1.5 m范圍內(nèi)的煤體便發(fā)生了明顯離層破碎現(xiàn)象。

圖1 矩形斷面段頂板鉆孔窺視Fig.1 Borescope of rectangular section roof

巷道頂板兩側(cè)肩角錨桿剪斷頻現(xiàn)，兜網(wǎng)明顯。由于矩形斷面巷道肩角易形成應(yīng)力集中，頂板兩側(cè)肩角錨桿因剪切破斷，錨桿托板脫離巖面，從而造成頂板兩側(cè)肩角金屬網(wǎng)出現(xiàn)兜網(wǎng)現(xiàn)象。

綜上，雖然61201綜放工作面運(yùn)輸巷圍巖變形與6煤地質(zhì)條件及錨網(wǎng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計有關(guān)，但巷道頂板兩側(cè)肩角錨桿剪切破斷，是造成巷道變形破壞的關(guān)鍵因素之一。

2 斷面形狀對巷道穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬

為了掌握不同斷面形狀對巷道穩(wěn)定性的影響，采用UDEC4.0軟件，對矩形和直墻平頂肩角微拱形厚頂煤巷道應(yīng)力分布特征進(jìn)行了分析。

2.1 模型的建立

根據(jù)61201綜放工作面運(yùn)輸巷地質(zhì)條件，建立長110 m、高50 m計算模型，模型兩側(cè)限制水平方向移動，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動，模型上表面為應(yīng)力邊界，用來模擬上覆巖體自重。材料破壞遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters of coal and rock strata

2.2 模擬方案

為便于厚頂煤巷道綜掘機(jī)施工，模擬方案分2種工況。

工況一：巷道斷面形狀為矩形，凈斷面規(guī)格為5.5 m×3.8 m，巷道沿6煤底板掘進(jìn)，支護(hù)形式為錨索網(wǎng)支護(hù)。

工況二：巷道斷面為直墻平頂肩角微拱形，肩角微拱半徑為0.8 m，凈斷面規(guī)格為5.5 m×3.8 m，巷道沿6煤底板掘進(jìn)，支護(hù)方案與參數(shù)與工況一相同。

在巷道頂板、肩角、幫部煤體內(nèi)設(shè)置監(jiān)控測線監(jiān)測巷道圍巖應(yīng)力及位移，每條測線10 m，每條測線上設(shè)置20個點，單根測線上測點間隔0.5 m(圖2)。

圖2 監(jiān)控測線布置Fig.2 Monitoring line layout

2.3 應(yīng)力分布

矩形斷面和直墻平頂肩角微拱形斷面巷道圍巖應(yīng)力分布如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出，巷道開挖后，由于應(yīng)力的重新分布，圍巖應(yīng)力在距離巷道周邊一定距離集中并呈近似連續(xù)包絡(luò)分布，沿巷道徑向方向上由近及遠(yuǎn)依次可劃分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力降低區(qū)位于巷道淺部，工況一矩形斷面巷道4個邊角的淺部應(yīng)力值均超過16 MPa(大于原巖應(yīng)力值13 MPa)，表明上述位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；而工況二直墻平頂肩角微拱形斷面巷道除底板兩側(cè)淺部邊角處圍巖的應(yīng)力值超過16 MPa外，頂板兩側(cè)肩角處的應(yīng)力值均小于8 MPa，肩角處無應(yīng)力集中，有利于防止支護(hù)結(jié)構(gòu)體受剪切破壞。

圖3 矩形斷面應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of rectangular section

圖4 直墻平頂肩角微拱形斷面應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of micro-arch section with flat top shoulder angle of vertical wall

另外，從巷道淺部應(yīng)力降低區(qū)范圍來看，矩形斷面頂板應(yīng)力降低區(qū)范圍為1.5 m，兩幫0.5 m，底板1.0 m。直墻平頂肩角微拱形斷面頂板應(yīng)力降低區(qū)范圍為1.0 m，兩幫0.4 m，底板1.0 m，雖然2種斷面底板應(yīng)力降低區(qū)范圍一致，但直墻平頂肩角微拱形斷面頂、幫應(yīng)力降低區(qū)范圍明顯比矩形斷面小。由于應(yīng)力降低區(qū)是由巷道圍巖松動卸壓引起的，應(yīng)力降低區(qū)范圍大，巷道圍巖的松動范圍也越大，說明直墻平頂肩角微拱形斷面巷道頂板煤體的松動范圍較矩形斷面小。

綜上，直墻平頂肩角微拱形斷面巷道與矩形斷面巷道相比，不僅頂板兩側(cè)肩角無應(yīng)力集中，而且頂、幫煤體松動范圍均有所減小，尤其頂煤松動范圍減小明顯，說明直墻平頂肩角微拱形斷面有利于維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定。

3 巷道支護(hù)對策及參數(shù)優(yōu)化

3.1 巷道支護(hù)對策

針對61201綜放面運(yùn)輸巷圍巖變形特征，并結(jié)合斷面形狀對厚頂煤巷道圍巖穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬分析，該巷道支護(hù)應(yīng)采取以下技術(shù)對策。

(1)優(yōu)化巷道斷面形狀。為改善頂板受力狀態(tài)，避免矩形斷面頂板兩側(cè)肩角應(yīng)力集中，將巷道斷面由矩形優(yōu)化為直墻平頂肩角微拱形。

(2)控制煤壁片幫。根據(jù)直墻平頂肩角微拱形斷面特點，利用錨桿錨索將頂板W鋼帶和幫部鋼筋梯子梁在兩側(cè)肩角微拱處搭接成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅可提高頂板肩角處圍巖的穩(wěn)定性，而且有利于控制煤壁片幫，有利于巷道成型。

(3)防止厚頂煤沿煤幫整體垮落。利用W5鋼帶組合多根錨桿和錨索形成桁架斜拉結(jié)構(gòu)[13-14]，該技術(shù)的實質(zhì)，就是在巷道頂板同1根W厚鋼帶兩側(cè)肩窩孔內(nèi)各設(shè)置1根外扎750的斜拉錨索，使頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)體形成類似于桁架的斜拉結(jié)構(gòu)，從而可避免厚頂煤沿煤幫整體垮落。

3.2 巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)61201綜放工作面運(yùn)輸巷地質(zhì)條件及支護(hù)對策，巷道斷面設(shè)計為直墻平頂肩角微拱形，凈高3.8 m、凈寬5.5 m。運(yùn)用錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，頂板采用W5鋼帶組合錨桿、錨索形成桁架結(jié)構(gòu)，巷幫采用鋼筋梯子梁組合錨桿，頂板W5鋼帶和巷幫鋼筋梯子梁在頂板兩側(cè)肩角微拱處搭接；頂板錨桿規(guī)格φ20 mm×2 500 mm，巷幫錨桿規(guī)格φ18 mm×2 200 mm，頂板錨索規(guī)格φ21.6 mm×8 300 mm；頂板錨桿與錨索均布置在頂板W5鋼帶上，每排共布置6根錨桿(索)，頂板錨索按“3-1”布置，頂板錨桿相應(yīng)按“3-5”布置，如此類推；頂板錨桿(索)間排距為950 mm×1 000 mm，巷幫錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，巷道頂板中部錨索垂直頂板，兩側(cè)斜拉錨索外扎750 mm(圖5)。

圖5 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計Fig.5 Optimization design of roadway supporting

4 工程應(yīng)用

支護(hù)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化方案在61201綜放面運(yùn)輸巷實施后，為驗證支護(hù)效果，在巷道掘進(jìn)和工作面回采期間設(shè)置位移觀測站對巷道圍巖變形進(jìn)行了觀測(圖6—圖7)。

圖6 掘進(jìn)期間優(yōu)化方案巷道變形曲線Fig.6 Roadway deformation curve of optimized scheme during excavation

由圖6可以看出，在巷道掘進(jìn)80 d時間內(nèi)，巷道頂板煤體下沉量最大不超過20 mm，達(dá)到15 mm時就趨于穩(wěn)定，兩幫移近量最大不超過40 mm，達(dá)到35 mm時就趨于穩(wěn)定；根據(jù)鉆孔窺視，掘進(jìn)期間頂板煤體幾乎無離層，也未發(fā)現(xiàn)錨桿發(fā)生破斷現(xiàn)象。

圖7 回采期間優(yōu)化方案巷道變形曲線Fig.7 Roadway deformation curve of optimized scheme during mining

由圖7可以看出，在61201綜放工作面回采期間，巷道受工作面采動超前支承壓力影響范圍最大為45 m，劇烈影響范圍最大為20 m，頂?shù)装謇塾嬕平績H220 mm，兩幫移近量僅150 mm；而且回采期間巷道頂板兩側(cè)肩角錨桿也極少出現(xiàn)剪切破斷現(xiàn)象。

綜上，在優(yōu)化巷道斷面形狀的基礎(chǔ)上，通過W鋼帶組合錨索形成桁架斜拉結(jié)構(gòu)及通過錨桿錨索將頂板W鋼帶和巷幫鋼筋梯子梁組合成整體結(jié)構(gòu)后，不僅加強(qiáng)頂板煤體和巷幫煤體的協(xié)同支護(hù)作用，提高了頂板兩側(cè)肩角處圍巖的穩(wěn)定性，而且有利于控制煤壁片幫，有利于巷道成型，支護(hù)效果顯著。

5 結(jié)論

(1)直墻平頂肩角微拱形斷面巷道與矩形斷面巷道相比，不僅頂板兩側(cè)肩角無應(yīng)力集中，而且頂、幫煤體松動范圍均有所減小，尤其頂板煤體松動范圍減小明顯，說明直墻平頂肩角微拱形斷面有利于維護(hù)厚頂煤巷道圍巖穩(wěn)定。

(2)裂隙發(fā)育厚頂煤巷道頂板及兩幫均為松軟破碎煤體，巷道掘進(jìn)時煤壁片幫嚴(yán)重，將頂板W鋼帶和幫部鋼筋梯子梁通過錨桿、錨索實現(xiàn)搭接布置，不僅提高了厚頂煤巷道圍巖的整體承載能力，而且有利于控制煤壁片幫，有利于巷道成型。

(3)在優(yōu)化巷道斷面形狀的基礎(chǔ)上，以W鋼帶組合錨索所形成的桁架斜拉結(jié)構(gòu)為支護(hù)主體的優(yōu)化方案，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，無論是厚頂煤巷道掘進(jìn)期間還是綜放工作面回采期間，巷道圍巖控制效果明顯，能滿足綜放工作面安全高效開采需要。