傾斜煤層沿空半煤巖巷斷面形狀優(yōu)化研究

許 帥，高 林，2，3，劉鵬澤，張盼棟，劉 萍，3，馬振乾，3，康向濤，3，汪永印，3

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭行業(yè)巷道支護(hù)與災(zāi)害防治工程研究中心，北京 100083；3.貴州大學(xué) 喀斯特地區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

貴州省煤炭資源儲(chǔ)量豐富，但賦存條件復(fù)雜，且以(緩)傾斜薄及中厚煤層為主，現(xiàn)階段工作面回采多采用留窄煤柱沿空掘巷護(hù)巷方式，導(dǎo)致傾斜煤層沿空半煤巖巷分布廣泛。由于該類巷道圍巖結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性、非對(duì)稱性，巷道開挖后，呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性大變形特征，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。

近年來(lái)，一些學(xué)者針對(duì)半煤巖巷的變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了大量研究成果[1-9]，但大多針對(duì)半煤巖巷支護(hù)方式及參數(shù)的優(yōu)化。已有研究表明，巷道斷面開挖形狀與圍巖變形之間存在相互關(guān)聯(lián)影響，巷道斷面形狀設(shè)計(jì)的合理與否，直接影響著礦井生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)效益[10]。因此，相關(guān)學(xué)者針對(duì)巷道斷面形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。如南培珠等[11]依據(jù)軸變論思想，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)機(jī)理，得出“平頂弧幫”斷面優(yōu)于“直墻矩形”斷面；李桂臣等[12]采用FLAC3D研究了幾種典型斷面在巖體中開挖后圍巖塑性區(qū)分布、主應(yīng)力差和圍巖變形特征，在此基礎(chǔ)上提出了“等效開挖”“無(wú)效加固區(qū)”概念；孟慶彬等[13]通過FLAC3D研究了6種典型斷面在不同側(cè)壓力系數(shù)下對(duì)塑性區(qū)分布的影響，認(rèn)為選取圓形及橢圓形巷道可以改善圍巖變形；馮偉等[14]基于ABAQUS模擬得出在埋深小于400m，側(cè)壓系數(shù)小于1.6時(shí)矩形巷道圍巖變形量與直墻半圓拱巷道差距較??；熊咸玉等[15]通過數(shù)值模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出緩傾斜直角梯形巷道應(yīng)力分布呈非對(duì)稱性；張進(jìn)鵬等[16]針對(duì)大傾角煤巖層巷道局部應(yīng)力集中問題，采用數(shù)值模擬與工程實(shí)踐相結(jié)合的研究方法，得出偏心直墻半圓拱形斷面能夠降低圍巖應(yīng)力集中，使圍巖應(yīng)力分布趨于合理化；楊勝利等[17]以羊場(chǎng)灣煤礦二煤綜采工作面為研究對(duì)象，通過理論計(jì)算開采后的“兩帶”高度，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，總結(jié)出不同巷道斷面的適用性情況；馬德鵬等[18]基于UDEC分析巷道的圍巖能量釋放，得出巷道邊界越光滑，能量釋放越低；郭曉菲等[19]通過理論分析與數(shù)值模擬驗(yàn)證了蝶形破壞理論在不同斷面和不同層狀圍巖的適用性；羅毅[20]采用AUTODYN數(shù)值模擬軟件研究不同斷面形狀對(duì)井下避險(xiǎn)設(shè)施承受沖擊載荷的影響；張一夫等[21]利用自主編制的(FCM)C++求解程序，對(duì)不同斷面圍巖散熱展開研究，得出圍巖溫度場(chǎng)的分布受斷面形狀影響顯著。

總結(jié)上述研究成果發(fā)現(xiàn)，已有針對(duì)巷道斷面形狀的優(yōu)化研究多集中于近水平全煤(巖)巷，對(duì)傾斜煤層沿空半煤巖巷鮮有提及[22-29]。本文以貴州土城礦1511回風(fēng)巷為工程背景，選取斜頂梯形、直墻半圓拱形及斜墻弧頂形三種類型斷面，基于數(shù)值模擬分析不同斷面形狀開挖下的傾斜煤層沿空半煤巖巷塑性區(qū)分布規(guī)律與圍巖變形特征，并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證研究成果的可靠性。

1 工程背景

貴州土城礦采區(qū)內(nèi)采用區(qū)段下行式布置開采方式，即同一煤層上一區(qū)段開采完之后再開采下一區(qū)段。設(shè)計(jì)下一步1511工作面作為接替工作面，上部緊鄰1509工作面，開采15號(hào)煤層，平均傾角20°，平均厚度2.1m，頂?shù)装鍨槟噘|(zhì)粉砂巖、粉砂巖等。由于上下區(qū)段間采用留設(shè)5m寬窄煤柱護(hù)巷方式，因此，1511回風(fēng)巷沿頂掘進(jìn)時(shí)屬于典型的傾斜煤層沿空半煤巖巷，巷道布置如圖1所示。

圖1 巷道布置

實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由于采用支護(hù)方式的不同，當(dāng)前該類巷道掘進(jìn)斷面形狀主要有斜頂梯形、直墻半圓拱形和斜墻弧頂形三種類型，但圍巖變形特點(diǎn)及控制效果不盡相同。因此，為給下一步掘進(jìn)的1511回風(fēng)巷斷面形狀設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法針對(duì)上述三種不同斷面形狀開挖下的傾斜煤層沿空半煤巖巷圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律及變形特征進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型與參數(shù)

為便于比較分析，上述三種斷面尺寸(凈寬×中高)均設(shè)定為5000mm×3100mm，其中斜墻弧頂形斷面中斜墻外扎角度為5°，如圖2所示。

圖2 巷道斷面參數(shù)(mm)

以1511回風(fēng)巷為工程地質(zhì)背景建立數(shù)值模型，主要煤巖層參數(shù)按照力學(xué)測(cè)試結(jié)果和相關(guān)地質(zhì)資料取值，見表1。采用Auto CAD及MIDAS GTSNX軟件建立1511回風(fēng)巷不同斷面形狀開挖情況下的網(wǎng)格劃分模型，同時(shí)將距離巷道兩幫10m、頂板14m和底板10m范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最后導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行賦值計(jì)算。為進(jìn)行對(duì)比分析，除開挖斷面形狀不同外，三個(gè)數(shù)值模型的尺寸、物理力學(xué)參數(shù)取值等均相同。以建立的斜墻弧頂形開挖斷面數(shù)值模型為例，模型尺寸為150m×50m×80m，煤巖層傾角20°，共包括202670個(gè)節(jié)點(diǎn)、170775個(gè)單元，如圖3所示。數(shù)值模型限制其側(cè)向和底部位移，在模型上部施加12MPa模擬上覆巖層的自重，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，分析巷道開挖之后的塑性區(qū)分布規(guī)律與圍巖變形特征。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 三維數(shù)值模型(斜墻弧頂形斷面開挖)

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算步驟

為消除其他因素的影響，三種不同斷面形狀開挖下的數(shù)值模型的計(jì)算步驟均統(tǒng)一為：①模型參數(shù)賦值，計(jì)算至初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)；②上區(qū)段1509工作面模擬回采，采空區(qū)自然垮落；③留設(shè)5m寬區(qū)段煤柱，進(jìn)行1511回風(fēng)巷開挖；④進(jìn)行下區(qū)段1511工作面模擬回采，計(jì)算至平衡；⑤提取相關(guān)數(shù)據(jù)，分析1511回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律及變形特征等。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1 巷道圍巖塑性區(qū)分布

受掘采擾動(dòng)影響，1511回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力重新分布，不同斷面形狀下的巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示，然后根據(jù)模型網(wǎng)格加密區(qū)及非加密區(qū)尺寸，頂?shù)装寮皫筒克苄詤^(qū)最大深度統(tǒng)計(jì)見表2。

圖4 不同斷面形狀巷道圍巖塑性區(qū)分布

表2 不同斷面形狀塑性區(qū)最大深度 m

分析可知，三種巷道斷面的塑性區(qū)擴(kuò)展趨勢(shì)基本一致，巷道圍巖破壞首先從頂?shù)装彘_始，產(chǎn)生局部剪切破壞帶，然后沿著煤層傾向擴(kuò)展，最后局部剪切帶相互連接、貫通，形成較大范圍的塑性區(qū)。同時(shí)，巷道左幫塑性區(qū)均大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)且沿煤層傾向延伸并在巷道頂?shù)装迳舷聰U(kuò)展。具體表現(xiàn)為：①斜頂梯形斷面形狀下巷道頂板塑性區(qū)擴(kuò)展范圍較大，與上區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)形成的塑性區(qū)相連通，導(dǎo)致破壞范圍加大；②直墻半圓拱斷面形狀下，由于巷道頂部形狀變光滑導(dǎo)致巷道肩角部位應(yīng)力集中程度降低，使得塑性區(qū)范圍較斜頂梯形斷面形狀下縮小，無(wú)法與采空區(qū)側(cè)形成的塑性區(qū)連通，破壞范圍減?。虎郛?dāng)巷道斷面形狀為斜墻弧頂形時(shí)，巷道斷面形狀整體更加趨近于圓弧形，同等條件下圍巖承載性能優(yōu)于前兩者，圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展區(qū)域相對(duì)較小，頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布范圍與斜頂梯形和直墻半圓拱形狀相比均較小。

2.3.2 巷道圍巖變形特征

為了分析不同斷面形狀開挖后圍巖變形特征，在數(shù)值模型中沿巷道頂?shù)装寮白笥覂蓭驮O(shè)置了4條20m長(zhǎng)測(cè)線，頂?shù)装鍦y(cè)線沿巷道中線布置，左右兩幫測(cè)線沿巷道腰線布置。每條測(cè)線均布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)，不同斷面形狀下的巷道圍巖位移變化曲線如圖5所示。

圖5 不斷面形狀圍巖位移變化曲線

由圖5分析可知，巷道圍巖變形量大小整體呈現(xiàn)出“頂板煤體>左側(cè)煤體>右側(cè)巖體>底板巖體”，即煤體變形量大于巖體，非對(duì)稱性特征明顯。斜頂梯形、直墻半圓拱形、斜墻弧頂形三種斷面巷道開挖后圍巖位移演化規(guī)律基本一致，但隨著巷道斷面形狀逐漸趨近于圓弧形(斜墻弧頂形)，巷道表面位移逐漸減小。具體表現(xiàn)為：①斜頂梯形的頂板下沉量(540mm)明顯大于直墻半圓拱形和斜墻弧頂形，分別是兩者的1.23倍、1.60倍；②斜頂梯形、直墻半圓拱形、斜墻弧頂形的底鼓量依次為55mm、48mm、39mm，斜墻弧頂?shù)坠牧孔钚。虎坌眽№斝巫笥覂蓭鸵平孔钚?，?69mm，斜頂梯形左右兩幫移近量最大，為248mm。

綜合上述研究結(jié)論可知，同等條件下，與斜頂梯形、直墻半圓拱形相比，斜墻弧頂形斷面開挖更有利于傾斜煤層沿空半煤巖巷圍巖變形控制。

3 斜墻外扎角度優(yōu)化

為進(jìn)一步獲取斜墻弧頂形斷面最佳斜墻外扎角度，從而指導(dǎo)巷道斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在前述數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行斜墻外扎5°、10°、15°三種情況下巷道圍巖塑性區(qū)分布、圍巖變形特征對(duì)比分析。不同斜墻外扎角度的巷道斷面尺寸、圍巖塑性區(qū)分布如圖6、圖7所示，塑性區(qū)最大深度見表3。

圖6 不同斜墻外扎角度巷道斷面參數(shù)(mm)

3.1 不同斜墻外扎角度塑性區(qū)分布

由圖7分析可得，不同斜墻外扎角度下的巷道圍巖塑性區(qū)分布基本一致，呈扁平狀分布，且向煤層傾斜方向延伸，符合不同形狀的巷道斷面外接圓半徑相同時(shí)，其塑性區(qū)分布規(guī)律基本一致的“等效開挖”理念[12]。由表3可知，隨著斜墻外扎角度從10°增加到15°，底板塑性區(qū)最大擴(kuò)展深度也隨之增加。但當(dāng)斜墻外扎10°時(shí)，巷道頂板及左幫的塑性區(qū)最大深度均小于斜墻外扎5°和15°。

圖7 不同斜墻外扎角度巷道圍巖塑性區(qū)分布

表3 不同斜墻外扎角度塑性區(qū)最大深度 m

3.2 不同斜墻外扎角度圍巖變形特征

按照前述數(shù)值計(jì)算過程中巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)方法，不同斜墻外扎角度下的巷道圍巖位移變化曲線如圖8所示。

圖8 不同斜墻外扎角度圍巖位移變化曲線

由圖8分析可知，不同斜墻外扎角度下的巷道表面位移演化規(guī)律基本一致，但又存在差異，具體為：①斜墻外扎5°、10°、15°時(shí)頂板下沉量分別為337mm、250mm、280mm，斜墻外扎10°時(shí)巷道頂板下沉量最??；②斜墻外扎5°的底板鼓起量(39mm)最大，分別是斜墻外扎10°、15°的1.56倍、1.08倍；③斜墻外扎10°時(shí)巷道左右兩幫移近量最小，為135mm，斜墻外扎5°時(shí)最大，為169mm。綜合以上分析，斜墻外扎角度為10°時(shí)，巷道圍巖變形破壞程度最小。

4 工業(yè)試驗(yàn)

綜合上述研究結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)確定1511回風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)采用斜墻弧頂形斷面開挖，斜墻外扎角度為10°，如圖9所示。同時(shí)，針對(duì)此類巷道圍巖的非對(duì)稱大變形，支護(hù)方案采用以“非對(duì)稱預(yù)應(yīng)力穿層鎖棚錨索”為核心的“棚-索”協(xié)同錨護(hù)控制技術(shù)[8]。巷道服務(wù)期間，采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面檢測(cè)儀對(duì)1511回風(fēng)巷全斷面進(jìn)行了變形檢測(cè)[30，31]，如圖10所示。結(jié)果表明，回采期間斷面最大收縮率僅為23.3%，巷道整體均勻協(xié)調(diào)變形，滿足工程應(yīng)用。說明1511回風(fēng)巷以斜墻(外扎10°)弧頂形斷面掘進(jìn)，能夠保持巷道圍巖的穩(wěn)定，進(jìn)一步驗(yàn)證了研究結(jié)果的可靠性。

圖9 外扎10°斜墻弧頂形斷面開挖

圖10 巷道變形全斷面激光檢測(cè)示意(m)

5 結(jié) 論

本文以結(jié)合具體工程背景，選取斜頂梯形、直墻半圓拱形及斜墻弧頂形三種類型斷面，基于數(shù)值模擬分析不同斷面形狀開挖下的傾斜煤層沿空半煤巖巷塑性區(qū)分布規(guī)律與圍巖變形特征，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1)斷面形狀對(duì)傾斜煤層沿空半煤巖巷圍巖塑性區(qū)分布、圍巖變形特征影響顯著，巷道圍巖塑性區(qū)破環(huán)范圍由小到大為斜墻弧頂形、直墻半圓拱形、斜頂梯形，巷道圍巖變形量由小到大為斜墻弧頂形、直墻半圓拱形、斜頂梯形，斜墻弧頂形斷面開挖更有利于該類巷道圍巖變形控制。

2)同等條件下，斜墻外扎10°時(shí)的斜墻弧頂形斷面在開挖之后圍巖變形量與圍巖最大塑性區(qū)深度均最小，為相對(duì)理想的巷道斷面形狀。

3)以貴州土城礦1511回風(fēng)巷為工程實(shí)踐對(duì)象開展了工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，選取斜墻(外扎10°)弧頂形斷面掘進(jìn)，服務(wù)期間斷面最大收縮率僅為23.3%，巷道整體均勻協(xié)調(diào)變形，滿足工程應(yīng)用，驗(yàn)證了研究結(jié)果的可靠性。