深部沿空掘巷圍巖破壞機(jī)制與控制

何尚森

(中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)咨詢中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

沿空掘巷是指完全沿采空區(qū)邊緣或僅留很窄的煤柱掘進(jìn)巷道，其掘進(jìn)位置一般剛好處于煤幫的殘余支承壓力峰值下。沿空掘巷因具有提高煤炭資源采出率、降低瓦斯災(zāi)害發(fā)生、減少巷道維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，我國(guó)學(xué)者針對(duì)沿空掘巷穩(wěn)定性影響因素、窄煤柱寬度、偏應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖變形與控制等問題均作了相關(guān)研究。侯朝炯等對(duì)沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間及工作面回采中圍巖大結(jié)構(gòu)與小結(jié)構(gòu)的變形破壞特征進(jìn)行了分析研究；李學(xué)華等總結(jié)了影響沿空掘巷窄煤柱變形與破壞的主要因素及不同因素影響下窄煤柱的變形破壞特征，利用FLAC分析了各因素對(duì)窄煤柱變形破壞的主要影響效果；王德超等以深部厚煤層沿空掘巷為背景，通過側(cè)向支承壓力實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬確定了窄煤柱最佳留設(shè)寬度；華心祝等分析了孤島工作面沿空掘巷時(shí)的超前支承壓力分布與巷道圍巖變形情況，基于分析對(duì)支護(hù)參數(shù)與加固參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；李磊等對(duì)沿空掘巷窄煤柱的合理留設(shè)寬度進(jìn)行分析，通過理論計(jì)算得出在上工作面基本頂未運(yùn)動(dòng)結(jié)束和運(yùn)動(dòng)結(jié)束兩種情況下沿空掘巷過程中巷道的變形量；謝生榮等探討了不同埋深下沿空巷道圍巖主應(yīng)力差分布特征以及塑性區(qū)的變化規(guī)律，同時(shí)針對(duì)巷道兩幫分析了主應(yīng)力差的演化規(guī)律；何富連等用數(shù)值軟件模擬了埋深715 m下沿空掘巷煤柱寬度在5～15 m變化過程中圍巖主應(yīng)力差的演化規(guī)律。

上述學(xué)者圍繞沿空掘巷窄煤柱合理寬度、圍巖變形與穩(wěn)定等方面取得了豐碩的科研成果，為沿空掘巷工程實(shí)踐具有很好的借鑒與指導(dǎo)作用。隨著我國(guó)礦井越來越多進(jìn)入深部開采，學(xué)者們針對(duì)深部礦井不同埋深下沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力分布與演化規(guī)律研究較少。本文以邢東礦深部2號(hào)煤層21210工作面運(yùn)輸巷(1128工作面沿空掘巷)為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了深部沿空掘巷在不同埋深下圍巖偏應(yīng)力與塑性區(qū)的分布特征，同時(shí)對(duì)兩幫最大主偏應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于分析沿空掘巷圍巖受力與破壞情況，提出高預(yù)應(yīng)力錨桿索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁的組合支護(hù)技術(shù)。

1 工程地質(zhì)條件

冀中能源集團(tuán)邢東礦位于河北省邢臺(tái)市東北方向約3 km處，主采的2號(hào)煤層地面標(biāo)高+56～+58 m，2號(hào)煤層1128工作面采用高水充填開采，標(biāo)高為-848～-740 m，煤層埋深大，其厚度為4.3～4.7 m，平均煤厚約4.5 m，煤層傾角6°～12°，平均傾角約9°。2號(hào)煤層為黑色塊狀構(gòu)造，屬半光亮型煤，其煤種為氣肥煤類；21210工作面直接頂為粉砂巖，厚5.0 m，裂隙局部發(fā)育；基本頂為細(xì)砂巖，厚8.0 m，呈泥質(zhì)膠結(jié)；直接底為厚1.8 m的細(xì)砂巖，裂隙發(fā)育明顯；基本底為8.0 m厚的細(xì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)。1128工作面與21210工作面相鄰，1128充填工作面采完后，21210工作面運(yùn)輸巷采用沿空掘巷形式成巷，邢東礦留設(shè)窄煤柱寬度為5 m，沿2號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，巷道寬5 m，高3.5 m，斷面積17.5 m2。

2 深部沿空掘巷數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

為分析沿空掘巷在不同埋深下的偏應(yīng)力與塑性區(qū)演化特征，依據(jù)邢東礦2#煤層21210工作面運(yùn)輸巷具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D 5.0模擬軟件建立分析模型，如圖1所示。模型尺寸為100 m×100 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高)，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型；模型中x軸方向代表2號(hào)煤層21210工作面傾向，y軸方向代表工作面走向，模型豎直向上代表z軸方向。

圖1 數(shù)值模型與巷道布局

2.2 模擬與監(jiān)測(cè)方案

本文以50 m的深度梯度分別建立埋深為800 m、850 m、900 m、950 m時(shí)的數(shù)值模型，研究不同埋深下21210工作面運(yùn)輸巷圍巖偏應(yīng)力演化規(guī)律與塑性區(qū)分布特征。

為便于分析深部沿空掘巷圍巖最大主偏應(yīng)力演化規(guī)律，沿y=50 m處煤柱幫和實(shí)體煤幫分別布置1條測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度分別為5 m、14 m，沿測(cè)線長(zhǎng)度方向每隔0.5 m設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，2條測(cè)線分別布設(shè)29、11個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3 不同埋深下沿空掘巷圍巖變形演化分析

11210工作面運(yùn)輸巷掘出后，分別取埋深為800 m、850 m、900 m、950 m時(shí)模型中y=50 m處的ZOX平面對(duì)偏應(yīng)力、塑性區(qū)云圖進(jìn)行分析，并對(duì)y=50 m處巷道兩幫最大主偏應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于偏應(yīng)力與塑性區(qū)分析深部沿空掘巷圍巖破壞演化規(guī)律，為巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供可行性依據(jù)。

3.1 巷道圍巖偏應(yīng)力演化規(guī)律分析

邢東礦21210工作面運(yùn)輸巷埋深大于800 m，地應(yīng)力高，受1128工作面開采及巷道掘進(jìn)影響，基本頂受擾動(dòng)發(fā)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，窄煤柱發(fā)生變形從而卸載，圍巖卸載過程必然產(chǎn)生偏應(yīng)力，偏應(yīng)力的存在使巷道發(fā)生塑性變形，承載能力降低，進(jìn)而使巷道發(fā)生破壞。

不同埋深下巷道圍巖偏應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可知，不同埋深下，沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力分布形態(tài)較為相近，圍巖偏應(yīng)力由巷道淺表面到深部整體趨勢(shì)表現(xiàn)為先增大再減小最后趨于穩(wěn)定，巷道近表面處圍巖偏應(yīng)力值小于巷道深部，幫角處偏應(yīng)力值相對(duì)較高；沿空掘巷圍巖最大偏應(yīng)力出現(xiàn)在巷道兩幫深處，左側(cè)煤柱幫3.0～4.0 m范圍內(nèi)存在條帶狀偏應(yīng)力峰值區(qū)，右側(cè)實(shí)體煤幫2.5～3.5 m范圍內(nèi)存在月牙狀偏應(yīng)力峰值帶，隨埋深增加兩側(cè)偏應(yīng)力峰值逐漸增大；實(shí)體煤幫偏應(yīng)力有向右上側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，這主要是由于埋深增加，應(yīng)力變大，圍巖破壞加劇，偏應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)移動(dòng)；巷道左上側(cè)4～5 m范圍內(nèi)與左下側(cè)4～6 m范圍內(nèi)存在環(huán)形的偏應(yīng)力低值區(qū)，環(huán)形區(qū)內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，巖層承載能力大，利于錨桿支護(hù)，支護(hù)時(shí)將錨桿錨入此區(qū)域的穩(wěn)定巖層中，增強(qiáng)錨固體的承載特性；隨著埋深由800 m增加到950 m，環(huán)形區(qū)內(nèi)的偏應(yīng)力值逐漸增大。

圖2 不同埋深下沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力分布云圖(單位：MPa)

不同埋深下沿空掘巷圍巖煤柱幫、實(shí)體煤幫最大主偏應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，圍巖深度增加，不同埋深下沿空掘巷偏應(yīng)力演化趨勢(shì)相近。圍巖深度0～2 m時(shí)，同一位置處不同埋深條件下煤柱幫、實(shí)體煤幫偏應(yīng)力值分別保持一致；煤柱幫圍巖深處2～5 m、實(shí)體煤幫圍巖深處2～14 m范圍內(nèi)圍巖偏應(yīng)力呈現(xiàn)一定的埋深效應(yīng)，即埋深愈深，幫部同一圍巖深度處偏應(yīng)力值愈大，但偏應(yīng)力值變化不敏感。沿空掘巷煤柱幫圍巖偏應(yīng)力峰值約為14 MPa，位于煤柱深3～3.5 m處；深5 m處為1128工作面采空區(qū)，工作面采后回填，且變形破壞后的煤柱有一定的殘余支承壓力，因此其偏應(yīng)力仍保持較大值，約8 MPa；窄煤柱上的偏應(yīng)力值在采空區(qū)側(cè)大，巷道側(cè)較小，表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性；實(shí)體煤幫0～3.0 m范圍內(nèi)偏應(yīng)力保持較快速度增長(zhǎng)，深約3.0 m處圍巖偏應(yīng)力達(dá)到峰值，約17 MPa，峰值后偏應(yīng)力以負(fù)指數(shù)形式迅速衰減，直至實(shí)體煤幫深度大于12 m，圍巖偏應(yīng)力值基本保持穩(wěn)定，圍巖接近于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 煤柱幫最大主偏應(yīng)力-圍巖深度變化曲線

圖4 實(shí)體煤幫最大主偏應(yīng)力-圍巖深度變化曲線

3.2 巷道圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律分析

塑性區(qū)范圍與分布形態(tài)是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素。11210工作面運(yùn)輸巷開挖后，應(yīng)力發(fā)生改變，巷道發(fā)生剪切與拉伸破壞，塑性區(qū)惡性擴(kuò)展，引起巷道圍巖失穩(wěn)。

巷道在不同埋深下圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5可知，不同埋深下沿空掘巷圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)相近，隨著埋深增加，塑性區(qū)分布范圍有增加的趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)不明顯；沿空掘巷左肩角(窄煤柱側(cè))附近出現(xiàn)典型的“V”型彈性區(qū)，巷道左下角出現(xiàn)倒“V”型彈性分布區(qū)，且“V”型彈性區(qū)隨埋深增加開口逐漸變小，這與偏應(yīng)力分布規(guī)律基本一致；此區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定巖層，頂板肩角錨桿索可偏向“V”型區(qū)域延伸，將提高圍巖的錨固效果；沿空掘巷窄煤柱側(cè)已完全處于塑性狀態(tài)；隨埋深由800 m增加到950 m，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)深度分別由5.5 m增加到6 m，由3 m增加到3.5 m，并分別向頂?shù)装鍍蓚?cè)擴(kuò)展，巷道右側(cè)(實(shí)體煤側(cè))由3.0 m增加到4.0 m，塑性區(qū)范圍向巷道深處不斷延伸。

綜上所述，深部沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力、塑性區(qū)分布均存在一定的埋深效應(yīng)，即隨著巷道埋深由800 m增加到950 m，圍巖偏應(yīng)力逐漸增大，煤柱側(cè)、實(shí)體煤幫最大主偏應(yīng)力峰值分別約14 MPa、17 MPa，分別位于煤柱深3.0～3.5 m、實(shí)體煤深3.0 m處；塑性區(qū)范圍向巷道四周不斷延伸，頂板塑性區(qū)深度由5.5 m增加到6 m，并向巷道兩側(cè)擴(kuò)展，巷道實(shí)體煤側(cè)塑性區(qū)范圍由3.0 m增加到4.0 m，偏應(yīng)力與塑性區(qū)分布特征與演化規(guī)律基本吻合。偏應(yīng)力引起巷道發(fā)生畸形破壞，其破壞深度在一定程度上可由塑性區(qū)分布范圍表征，分析不同埋深下沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力與塑性區(qū)分布規(guī)律與特點(diǎn)，可為相似埋深下的沿空巷道支護(hù)提供理論參考。

圖5 不同埋深下沿空掘巷圍巖塑性區(qū)分布云圖

4 深部巷道圍巖控制機(jī)理與支護(hù)方案

4.1 深部沿空掘巷圍巖支護(hù)機(jī)理

深部圍巖地應(yīng)力高，沿空掘巷后煤柱幫破壞嚴(yán)重，頂板與實(shí)體煤幫同樣遭到不同程度破壞，須采取有效的支護(hù)手段將巷道頂板與兩幫圍巖控制穩(wěn)定。高預(yù)應(yīng)力錨桿可使巷道淺部圍巖錨固成一定厚度的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板淺部圍巖剪切錯(cuò)動(dòng)、巖層離層、滑移等的有效控制，減少巷道圍巖破壞范圍，提高圍巖的完整性。高預(yù)應(yīng)力錨索錨入深部穩(wěn)定巖層中，調(diào)動(dòng)淺部與深部圍巖的共同承載能力，與錨桿協(xié)同作用可顯著提高圍巖的連續(xù)性與承載力。高預(yù)應(yīng)力錨桿索配合鋼筋梁、金屬網(wǎng)支護(hù)使巷道圍巖形成擠壓加固墻，增強(qiáng)巷道圍巖的整體承載力，改善了圍巖受力狀態(tài)。

4.2 深部沿空掘巷支護(hù)方案

由上述深部沿空掘巷圍巖偏應(yīng)力分布特點(diǎn)與塑性區(qū)分布范圍可知：巷道圍巖偏應(yīng)力演化趨勢(shì)由淺到深表現(xiàn)為先增大再減小最后趨于穩(wěn)定，煤柱幫3.0～4.0 m、實(shí)體煤幫2.5～3.5 m范圍內(nèi)存在偏應(yīng)力峰值區(qū)。巷道頂板最大塑性區(qū)范圍達(dá)6 m，煤柱幫完全處于塑性狀態(tài)，實(shí)體煤側(cè)0～4.0 m范圍內(nèi)為塑性區(qū)。巷道頂板及兩幫圍巖變形大，僅采用錨桿支護(hù)難以有效控制圍巖的變形與破壞，需采用高預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)圍巖實(shí)施加強(qiáng)支護(hù)?；诜治銎珣?yīng)力與塑性區(qū)分布特點(diǎn)，結(jié)合邢東礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，綜合考慮后確定頂板及兩幫支護(hù)方案如下：

(1)頂板支護(hù)方案：頂板采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿參數(shù)為?22 mm×2400 mm，排距800 mm，間距700 mm，其預(yù)緊力大于27.4 kN，錨桿配合?14 mm鋼筋梯子梁、鋼托盤以及?6 mm菱形金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。錨桿支護(hù)基礎(chǔ)上，選用大直徑高延伸率錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索參數(shù)為?21.8 mm×8500 mm，排距1600 mm，間距1400 mm，錨索配套設(shè)備有2600 mm長(zhǎng)的14#槽鋼以及200 mm×200 mm的鋼托盤。頂板中部錨索垂直于頂板方向，兩側(cè)錨索偏向左右兩側(cè)，與豎直方向成15°夾角。

(2)兩幫支護(hù)方案：幫部全螺紋錨桿桿體長(zhǎng)度為2100 mm，直徑為20 mm，排距800 mm，間距700 mm，配套設(shè)備為?12 mm鋼筋梯子梁、穹形鋼托盤以及菱形金屬網(wǎng)。鋼絞線錨索長(zhǎng)度為4500 mm，直徑為17.8 mm，布置在兩幫距頂板1100 mm處，錨索間距1100 mm，排距1600 mm。巷道支護(hù)斷面圖如圖6所示。

圖6 沿空掘巷支護(hù)斷面圖

4.3 支護(hù)效果分析

為分析深部沿空掘巷圍巖控制效果，對(duì)開挖后巷道兩幫與頂板表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。結(jié)果表明：沿空巷道開挖8 d后幫部以及頂板變形速率逐漸變緩，兩幫最大移近速率為15 mm/d，頂?shù)装鍨?7 mm/d；沿空巷道開挖25 d后圍巖變形趨于穩(wěn)定，兩幫移近最大量為496 mm，頂?shù)装逡平畲罅繛?24 mm，巷道支護(hù)效果良好，滿足巷道正常作業(yè)的需求。

5 結(jié)論

本文以邢東礦2號(hào)煤層21210工作面運(yùn)輸巷為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件分析了深部沿空掘巷在不同埋深下圍巖偏應(yīng)力與塑性區(qū)的分布特征，同時(shí)對(duì)兩幫最大主偏應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提出高預(yù)應(yīng)力錨桿索+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁的組合支護(hù)技術(shù)，得出以下結(jié)論：

(1)巷道埋深由800 m增加到950 m，圍巖偏應(yīng)力呈逐漸增大的趨勢(shì)；左側(cè)煤柱幫圍巖偏應(yīng)力為非對(duì)稱分布，3.0～4.0 m深度范圍內(nèi)存在條帶狀偏應(yīng)力峰值區(qū)，最大主偏應(yīng)力約14 MPa，右側(cè)實(shí)體煤幫2.5～3.5 m范圍內(nèi)存在月牙狀偏應(yīng)力峰值帶，最大主偏應(yīng)力約17 MPa。

(2)沿空掘巷窄煤柱側(cè)肩角部分出現(xiàn)“V”型彈性區(qū)，底角出現(xiàn)倒“V”型彈性分布區(qū)；埋深增加，“V”型區(qū)域開口逐漸減小，巷道頂板塑性區(qū)深度達(dá)6.0 m，實(shí)體煤側(cè)達(dá)4.0 m，巷道周圍塑性區(qū)范圍逐漸增大。

(3)巷道頂板及兩幫采用高預(yù)應(yīng)力錨桿索、菱形金屬網(wǎng)以及鋼筋梯子梁等組合支護(hù)，兩幫移近量最大為496 mm，頂?shù)装逡平孔畲鬄?24 mm，支護(hù)效果較好，實(shí)現(xiàn)了深部沿空掘巷圍巖的有效控制。