緩傾斜深埋回采巷道破壞特征及控制技術(shù)

李 亮 宋梓瑜 秦常浩

（河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000）

隨著淺部煤炭資源的枯竭，開采向深部轉(zhuǎn)移。深部煤層巷道變形破壞特征呈現(xiàn)了新特點[1-2]，眾多學(xué)者對于深部礦井巷道的控制進行了大量研究。賈后省[3]以趙固一礦為背景，揭示了采動巷道復(fù)合頂板離層破壞機理。謝龍[4]以寸草塔二礦為背景，研究了注漿參數(shù)對漿液擴散的影響。鄭鵬強[5]以深部急傾斜偏壓巷道為對象，研究其巷道變形破壞特征，提出了可縮性U 型鋼全斷面封閉支護和非對稱性預(yù)應(yīng)力錨桿（索）支護方案。谷拴成[6]針對中淺埋深矩形巷道頂板圍巖彈塑性變形特點，建立矩形巷道頂板梁模型，為圍巖表面以及跨中部位沿深度方向不同位置的下沉提供理論依據(jù)。

諸多學(xué)者的研究成果對指導(dǎo)現(xiàn)場具有重要的實際意義[7-10]，但對于緩傾斜近深埋（-690 m）回采巷道的變形破壞特征研究尚不充分。本文以東歡坨礦3015 工作面回采巷道為對象，使用FLAC3D軟件，模擬無支護條件下圍巖變形破壞規(guī)律，并根據(jù)其破壞特點對現(xiàn)有支護參數(shù)進行優(yōu)化[11-12]。

1 工程概況

3015 工作面位于-690 m 水平中央下段采區(qū)南翼，北鄰中央下段采區(qū)回風(fēng)上山；南鄰-690 m 水平煤12-1 聯(lián)絡(luò)巷，切眼距其平距95 m 左右；東鄰3013 工作面采空區(qū)；西鄰11 煤實體煤；垂直正上方為3085 和3095 工作面采空區(qū)；下方無采掘工程。

根據(jù)中央下段采區(qū)9、11 煤層工作面的實際揭露，3015 工作面掘進期間預(yù)測揭露15 條斷層，其中11 條正斷層、4 條逆斷層。由北向南風(fēng)道揭露7 條斷層依次為：f184、f475、f3013-7、f390、f385、f386、f3095-3；運道揭露4 條斷層依次為：f3095-1、f486、f489、f491；切眼揭露4 條斷層依次為：f492、f493、f494、f495。

工作面屬于11 煤層，煤層平均傾角20°，平均煤厚2 m，結(jié)構(gòu)簡單。直接頂為細砂巖，厚7.9 m，在直接頂中間夾雜1.1 m 厚的軟弱夾層；基本頂為粉砂巖，厚度2.8 m。

2 無支護條件下巷道穩(wěn)定性研究

3015 工作面屬于緩傾斜煤層，回采巷道斷面形狀為矩形[13]，斷面尺寸為4600 mm×2800 mm，屬于半煤巖巷?，F(xiàn)有彈性力學(xué)理論分析巷道穩(wěn)定性時，通常將矩形巷道簡化為圓形巷道，但查閱相關(guān)文獻后發(fā)現(xiàn)，該方法主要應(yīng)用于近水平煤層，對于緩傾斜煤層矩形巷道，其應(yīng)用較少，故本文采用有限元分析軟件FLAC3D研究緩傾斜矩形巷道破壞特征。

2.1 模型建立

根據(jù)3015 工作面實際情況建立數(shù)值模型，模型尺寸為69 m×4 m×34 m，自上而下共15 層，煤層處于中間層位。對模型x、y、z 方向分別施加17.25 MPa 的應(yīng)力[14]，對模型的底部和左右兩側(cè)施加固定約束，然后開挖矩形巷道區(qū)域，未對巷道進行任何支護，研究無支護條件下巷道變形破壞規(guī)律。模型如圖1，模擬所使用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 數(shù)值模型

2.2 模擬結(jié)果分析

無支護條件下，巷道水平位移變形破壞特征如圖2（a）所示，巷道垂直位移變形破壞特征如圖2（b）所示，巷道圍巖塑性區(qū)變形破壞特征如圖2（c）所示。

圖2 無支護條件時巷道破壞特征

根據(jù)圖2（a）可知，無支護條件下，巷道幫部水平位移明顯，左右兩幫水平位移變化呈現(xiàn)出明顯的非對稱性，左幫最大水平位移大于右?guī)妥畲笏轿灰?。巷道左幫的水平位移主要集中在距底板上? m 范圍內(nèi)，最大位移達到了53 cm，當(dāng)左幫巷道高于2 m 后，巷道水平位移明顯降低，變形量在10 cm 以下。巷道右?guī)偷乃轿灰浦饕性诰嗟装?～2.8 m 的范圍，最大水平位移達到了42 cm。在巷道右?guī)透叨葹?～2 m 范圍內(nèi)，幫部未發(fā)生明顯水平變形，水平位移值在10 cm 以內(nèi)。

根據(jù)圖2（b）可知，巷道的垂直位移以頂板下沉為主，未發(fā)生明顯底鼓現(xiàn)象。巷道的垂直位移變形呈現(xiàn)出明顯的非對稱性，巷道右側(cè)垂直位移大于左側(cè)。巷道的最大垂直位移出現(xiàn)在頂板右上角，最大下沉量為45 cm；巷道左側(cè)最大垂直位移出現(xiàn)在左上角，最大下沉量為15 cm；巷道底板變形小，且變形分布較為均勻，變形值為8 cm。

根據(jù)圖2（c）可知，巷道塑性區(qū)分布呈現(xiàn)出非對稱的特性。巷道左幫塑性區(qū)范圍最大，破壞形式為剪切破壞和拉伸破壞，破壞深度達到2.5 m；頂板和右?guī)偷乃苄詤^(qū)范圍次之，破壞形式為剪切破壞，破壞深度為1.5 m；底板的穩(wěn)定性最好，其破壞范圍也最小，破壞形式包括剪切破壞和拉伸破壞，底板最大破壞范圍為0.5 m。

對圖2（a）、（b）、（c）綜合分析可知，巷道的變形破壞主要發(fā)生在巷道左幫的中下部及右上角位置，因此進行支護參數(shù)設(shè)計時應(yīng)將其作為支護重點區(qū)域。

3 支護方案優(yōu)化設(shè)計

3105 工作面回采巷道原設(shè)計巷道頂錨桿使用Ф22 mm×2400 mm 左旋高強螺紋鋼錨桿，巷道幫錨桿選用Ф20 mm×2000 mm右旋等強螺紋鋼錨桿。頂錨桿使用配套托盤，壓W 型鋼帶；兩幫使用配套托盤，壓W 型鋼帶貼緊煤巖壁；錨索采用Ф17.8 mm×5500 mm 七股鋼絞線錨索。

3.1 方案優(yōu)化設(shè)計

以井下實際支護參數(shù)及巷道變形情況為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有支護方案基礎(chǔ)上，調(diào)整錨桿、錨索間排距，提出三種新的支護方案，見表2。使用FLAC3D軟件模擬不同支護方案下巷道變形破壞規(guī)律。

表2 支護方案設(shè)計

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 位移分析

將模擬結(jié)果文件導(dǎo)入至Tecplot 軟件，對模擬結(jié)果進行處理分析，分別提取現(xiàn)有支護方案及三種優(yōu)化方案巷道截面垂直位移，然后將位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 軟件，繪制不同支護參數(shù)條件下巷道垂直位移對比如圖3（a）所示。根據(jù)圖3（a）可知，巷道的垂直位移以頂板下沉為主，未發(fā)生明顯底鼓現(xiàn)象。在距巷道上方3.2 m 的范圍內(nèi)，巷道出現(xiàn)離層，與巷道上方距離超過3.2 m 后，巷道離層現(xiàn)象消失，支護方式對巷道頂板離層范圍影響較小。支護方式對頂板下沉量影響較大，對底鼓影響較小，底板最大底鼓量在3 cm 左右。四種支護方式中，方案一頂板下沉量最大，方案二頂板下沉量最小。頂板下沉量由大至小分別為方案一＞方案三＞現(xiàn)有支護＞方案二，所對應(yīng)的最大下沉量分別為29.3 cm、27.6 cm、27 cm 和23.5 cm。四種支護條件下，方案二支護效果最好。

圖3 不同支護參數(shù)下巷道位移對比

對比現(xiàn)有方案及方案一可知，增加支護密度可降低巷道頂板下沉量，但頂板下沉量減少幅度并不大，只減少了1.7 cm，減少幅度為5.8%。對比方案二和方案三可知，當(dāng)支護參數(shù)相同時，對巷道進行注漿，可明顯降低巷道頂板下沉量，頂板下沉量減少了4.1 cm，減少幅度為14.9%，提升圍巖穩(wěn)定性。

使用同樣的操作方法，在Tecplot 軟件中分別提取現(xiàn)有支護方案及三種優(yōu)化后支護方案的巷道截面水平位移，然后將結(jié)果導(dǎo)入至Excel 軟件，繪制不同支護參數(shù)下巷道水平位移對比如圖3（b）所示。根據(jù)圖3（b）可知，巷道幫部1 m 范圍內(nèi)水平位移較為明顯，之后巷道水平位移變化趨于平穩(wěn)。支護方式對巷道水平幫部位移影響較為明顯，巷道左幫位移略大于右?guī)?，水平位移由大至小依次為方案一＞現(xiàn)有支護＞方案三＞方案二。其中左幫最大水平位移由大至小依次為22.1 cm、21.2 cm、17.5 cm和9.8 cm，右?guī)妥畲笏轿灰朴纱笾列∫来螢?5.8 cm、24.0 cm、21.1 cm 和14.6 cm。四種支護方案下，方案二支護效果最好。

對比現(xiàn)有方案及方案一可知，增加支護密度可降低巷道幫部水平位移，但幫部水平位移減少幅度并不大，左幫變形只減少了0.9 cm，右?guī)妥冃沃粶p少了1.8 cm。對比現(xiàn)有方案和方案三可知，即使增加錨桿、錨索間排距，但在進行幫部支護時，選擇尺寸更長的幫部錨桿，可明顯降低巷道幫部變形量，左幫變形量減少了3.7 cm，右?guī)妥冃瘟繙p少2.9 cm，左幫變形減少17.4%，右?guī)妥冃螠p少12.1%。對比現(xiàn)有方案和方案二可知，當(dāng)支護參數(shù)相同時，對巷道進行注漿，可明顯降低巷道幫部變形量，提升圍巖穩(wěn)定性，左幫變形量減少了11.4 cm，右?guī)妥冃瘟繙p少了9.4 cm，減少幅度分別為53.7%、39.2%。對巷道幫部注漿后，幫部水平位移顯著降低。

3.2.2 塑性區(qū)分析

不同支護條件下，巷道圍巖塑性區(qū)對比如圖4。

圖4 不同支護條件下塑性區(qū)分布

根據(jù)圖4 可知，不同支護參數(shù)條件，巷道圍巖塑性區(qū)破壞分布規(guī)律一致，頂板塑性破壞范圍最大，兩幫塑性破壞范圍次之，且左幫破壞范圍大于右?guī)停装逅苄云茐姆秶钚?，說明巷道變形以頂板下沉和幫部位移為主，底板變形破壞較小。支護方式對圍巖塑性區(qū)的影響主要體現(xiàn)在巷道幫部，對比現(xiàn)有支護、方案一、方案二、方案三四種支護條件下可知，支護參數(shù)對巷道頂板塑性范圍產(chǎn)生明顯影響。四種支護條件下，頂板最大破壞深度均為2 m 左右，但不同支護參數(shù)對巷道幫部塑性區(qū)范圍產(chǎn)生了一定影響。使用方案二進行支護時，左幫最大破壞深度為1.5 m，其余支護方案條件下，左幫最大破壞深度均為2.0 m，最大破壞深度減少了25%。四種支護條件下，巷道右?guī)妥畲笃茐纳疃染鶠?.0 m，但采用方案二進行支護時，巷道右?guī)推茐姆秶钚?。方案二支護效果最好。

通過對四種支護參數(shù)條件下巷道垂直位移、水平位移、塑性區(qū)變形破壞模擬結(jié)果綜合分析可知，使用方案二進行支護，能將巷道變形量控制在理想范圍內(nèi)，巷道圍巖穩(wěn)定性更好，因此確定方案二為3015 工作面回采巷道支護方案。支護設(shè)計如圖5。

圖5 巷道支護設(shè)計圖（mm）

4 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)研究結(jié)果，使用優(yōu)化后的方案支護巷道，并在巷道布置頂板離層儀、幫部位移計，監(jiān)測巷道頂板及兩幫變形情況。

現(xiàn)場監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，巷道變形主要集中在成巷初期，當(dāng)巷道施工超過90 d 后，巷道變形趨于穩(wěn)定。在使用未優(yōu)化前的原方案支護時，巷道頂板最大下沉量為116 mm，兩幫最大移近量為160 mm；使用優(yōu)化支護方案后，頂板最大下沉量為97 mm，兩幫最大移近量為140 mm，頂板下沉量減少了19 mm，降低幅度為16.4%，幫部移近量減少了20 mm，降低幅度為12.5%。使用新方案既降低了支護成本，又提高了巷道整體穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1）對于深埋傾斜矩形巷道，傾斜向下一側(cè)巷道幫部破壞程度大于傾斜向上側(cè)幫部，支護重點應(yīng)放在左下角和右上角兩個區(qū)域。

2）在現(xiàn)有支護方案基礎(chǔ)上，結(jié)合深埋傾斜巷道破壞特點，提出三種新的支護方案，并確定“錨桿+錨索+注漿”的方案為最優(yōu)方案。