大倾角煤层斜梯形巷道变形破坏特征及支护技术研究

刘旺海，李军

(陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林市 719000)

大倾角煤层是指埋藏倾角为 35°～55°的煤层[1]，煤层储量占15%～20%，其中优质焦煤和无烟煤约占50%以上，是我们国家不可缺少的稀有煤种[2]。近年来，针对大倾角斜梯形巷道变形破坏和支护技术方面的问题，已有科研工作者和工程技术人员分别从不同方面对大倾角煤层巷道围岩变形破坏进行了相关研究，主要集中在急倾斜煤层重复采动下的围岩破坏机理[3−4]、大倾角巷道变形破坏机理及支护[5−6]、巷道围岩综合控制技术[7−9]、锚索网在巷道支护中的实践[10−11]、回采巷道顶板稳定性控制[12]、巷道底鼓破坏机理及稳定性控制[13]及巷道松动圈支护优化及合理的布置方式[14−15]，前人已有的研究成果提高了对大倾角煤层巷道方面的认知程度，并为该领域进一步的研究奠定了基础，但鲜见针对大倾角斜梯形巷道变形破坏方面的研究。因此，研究大倾角斜梯形巷道围岩变形破坏特征及支护方面的研究，可以为该类大倾角煤层安全高效开采提供理论基础和科学依据。

1 工程概况

1.1 巷道地质概况

新疆焦煤集团2130 煤矿煤层平均倾角为45°，平均厚度为10 m 左右。巷道直接顶属于煤矸互层顶板，单层夹矸在0.3 m 左右波动，夹矸间单层煤层在0.8 m 左右波动，夹矸以粉砂岩为主；巷道基本顶厚度为14 m，岩性为灰白色含中砂岩；巷道直接底厚度为3 m，岩性为碳质泥岩，运输巷道和回风巷道均为实体煤层巷道。

1.2 巷道支护方式及效果分析

25213 运输巷原有支护方式为锚杆加锚索联合支护，如图1 所示。巷道呈斜梯形布置，斜梯形巷道宽4 m，低帮高1.8 m，高帮高5.8 m。顶板布置9 根锚杆，规格为Ф22 mm×2400 mm，间排距为600 mm×600 mm，巷道顶板锚杆均垂直于顶板布置；低帮布置3 根锚杆，高帮布置9 根左旋螺纹钢锚杆，间排距为600 mm×600 mm，锚杆预紧扭矩为300 N·m；顶板和高帮各布置2 根钢绞线锚索，排距为1800 mm；采用5 mm 加工而成的100 mm×250 mm 的铁托板，中心孔径为Ф18 mm；选用10 号铁丝编制而成的菱形网，网孔为50 mm×50 mm，采用Z3535 型树脂锚固剂。

图1 回采巷道原支护断面

由于巷道开掘形态的不规则，造成了回采巷道在受载、变形与破坏等方面有明显的方向性，且层状结构弱面易发生剪切滑移。煤岩夹矸遇水会出现膨胀、离层、漏冒及网兜现象，部分金属网破断，巷道挤压变形严重，中央锚索和锚杆会随着岩层的整体下沉而下降，如图2 所示。因此，巷道原支护方式有待进一步优化改进。

图2 巷道顶板局部破坏状态

2 斜梯形巷道变形破坏特征数值分析

2.1 数值模型的建立

以新疆焦煤集团2130 煤矿大倾角煤层斜梯形回采巷道为工程背景，采用有限元软件FLAC3D建立数值模拟，如图3 所示。模型选用“摩尔-库伦”本构模型，采动煤岩体选用大应变模式，网格划分为非均匀混合网格单元，模拟尺寸为长（X）×宽（Y）×高（Z）=50 m×100 m×50 m；未模拟到的上覆岩层补偿载荷为2.25 MPa，在模型四周限制水平位移，底部限制垂直位移，以此来模拟井下真实的开采条件，其中煤岩力学参数见表1。

表1 煤岩力学参数

图3 数值计算模型

2.2 斜梯形巷道围岩变形破坏特征

2.2.1 围岩应力分布特征

斜梯形巷道开挖后，垂直应力如图4 所示，斜梯形巷道顶板垂直应力由于倾角效应呈非对称性应力拱存在，顶板中上部应力释放范围明显大于下部应力释放范围；底板应力释放呈对称性应力拱存在，且由于肩角的存在，应力集中现象出现在低帮侧、高帮及低帮肩角处，最大应力集中值为7.4 MPa。水平应力如图5 所示，斜梯形巷道水平应力释放以高帮处最为显著，其次是顶板和低帮，低帮侧水平应力影响范围最小，巷道肩角处水平应力最大值为2.97 MPa。

图4 垂直应力

图5 水平应力

2.2.2 巷道围岩位移分布特征

斜梯形巷道位移如图6 所示，最大垂直位移发生在巷道顶板处，且沿顶板偏上部位移量最明显，最大垂直位移为287 mm；巷道底板底鼓显现，其隆起的底鼓范围主要集中在巷道底板正中央，低帮和高帮垂直位移不明显。斜梯形巷道水平位移如图7 所示，斜梯形巷道水平位移在高帮处最为明显，最大水平位移量为255 mm；其次，顶板倾斜上部有明显的水平位移，最大水平位移量为160 mm；低帮和底板处水平位移量不明显。斜梯形巷道整体围岩位移分布呈不均衡性分布特征，巷道呈现“顶板下挫，底板隆起”的变形破坏形式。

图6 巷道垂直位移

图7 巷道水平位移

2.2.3 巷道围岩塑性区分布特征

巷道围岩开挖后，围岩将产生塑性破坏且向四周收敛，如图8 所示。巷道顶、底板的破坏深度大于两帮的破坏深度，且两帮的塑性破坏方式和深度差异性较大。低帮塑性破坏形式以三角形状的剪切破坏形式为主；巷道顶板、底板及高帮破坏形式以半椭圆状的拉伸破坏为主，且在巷道肩角处有部分剪切破坏。总而言之，巷道围岩塑性破坏中以拉伸破坏为主，剪切破坏为辅。

图8 巷道塑性区

3 斜梯形巷道支护优化稳定性分析

3.1 松动圈测试及锚杆参数优化

鉴于2130 煤矿25213 工作面回采巷道在原支护方案情况下，现场实际巷道围岩不稳定，变形破坏较严重，需再次优化巷道支护，测试斜梯形巷道围岩松动圈。

25213 运输巷采用地质雷达进行围岩松动圈测定，为保证测试结果的可靠性，一般布置4 条测线，每条测线上布置3～4 个测站，间距约12 m 左右，每个测站依次布置在斜梯形巷道顶板、底板、低帮、高帮侧。测试中巷道顶板、底板、低帮、高帮的围岩松动圈范围分别为1.0～2.4 m、0.5～1.8 m、0.3～1.2 m、1.0～2.0 m。由此可见，斜梯形巷道顶板松动圈范围最大，巷道高帮和底板侧松动圈次之，巷道低帮侧松动圈最小。

25213 运输巷围岩松动圈范围Lr为0～1.5 m，依据松动圈支护理论进行巷道支护设计[16]。

式中，L为锚杆长度，mm；L1为锚入稳定岩层的深度，一般取300～400 mm；L3为锚杆的外露长度，mm；k为安全系数，一般根据巷道的服务年限以及重要程度确定，k=1.0～2.5。

根据2130 煤矿实际情况，锚入岩层的深度取400 mm，回采巷道的服务年限较短，k取1.0，按照支护标准，锚杆外露长度为100 mm。因此，通过理论计算可得25213 工作面回采巷道锚杆支护最小长度为1500 mm，可见原支护方案里锚杆长度满足巷道围岩支护长度的基本要求。

3.2 锚杆支护优化效果

在原有支护方案不变的前提下，对锚杆参数的优化，可通过提高锚杆的材质属性以及本身的直径来提高锚杆的支护性能及强度，抵抗围岩变形，优化后的材料力学性能如表2 所示。将金属网优化后采用高强度金属网，高强度金属网强度与刚度大，护表能力强，可有效扩大锚杆的作用效果，且能够有效阻止松动岩块掉落，提高巷道围岩多介质耦合支护系统的整体效果。

表2 支护材料力学性能优化前后参数

通过模拟原支护和优化后的效果分别见图9、图10。围岩受采动应力影响下，当原支护直径为18 mm 的螺纹钢锚杆时，螺纹钢锚杆受力为其屈服极限的69%；若直径选用22 mm 的高强度螺纹钢锚杆时，螺纹钢锚杆受力为其屈服极限的82%。当原支护直径为18 mm 的钢绞线锚索时，钢绞线锚索受力为其屈服极限的76%；若直径选用20 mm 的高强度钢绞线锚索时，钢绞线锚索受力为其屈服极限的88%。

图9 原支护锚杆屈服载荷

图10 优化后锚杆屈服载荷

3.3 巷道围岩支护优化效果

斜梯形巷道在无支护情况下，巷道围岩变形破坏严重，对行人、运输等将产生严重的威胁；加强对顶板及两帮的支护，选用高强度锚杆、锚索材质，提高锚杆直径，施加足够的预应力。通过支护优化效果可以看出，塑性区范围明显减小，巷道围岩环境明显改善，巷道塑性区从小到大排列顺序为“高强度锚杆、锚索联合支护”＞“锚杆、锚索支护”＞“无支护”，如图11～图13 所示。

图11 巷道无支护

图12 巷道原支护

图13 巷道优化后支护

通过塑性破坏状态可以看出，无支护状态情况下巷道围岩变形破坏严重；采用原支护方案后，围岩破坏范围有所减小；进一步对原支护方案优化，采用高强度锚杆、锚索，当提高锚杆、锚索直径后，围岩变形破坏效果较原支护方案有所减少，优化后顶板下沉量较原支护减小了31.1%，底鼓量减小了33.3%，低帮位移减小了29.3%，高帮位移减小了43.6%。巷道围岩支护效果对比见表3。因此，该支护方案能有效地控制巷道围岩变形破坏。

表3 巷道围岩支护效果对比

4 工程实践效果检验

25213 工作面运输巷及回风巷发生夹矸冒顶及围岩变形破坏，后期及时采用支护优化后的新方案，且结合大倾角巷道变形破坏的特征，对易变形破坏的顶板、高帮及肩角关键部位进行重点支护，并全断面采用金属网喷浆封闭。通过现场监测效果可以看出，运输巷顶底板移近量为438 mm，两帮移近量为326 mm，见图14；回风巷顶底板移近量为530 mm，两帮移近量407 mm，见图15。巷道围岩变形破坏得到了明显改善，提高了巷道围岩稳定性，取得了良好的效果，保障了工作面的安全开采。

图14 25213 运输巷围岩变形曲线

图15 25213 回风巷围岩变形曲线

5 结论

（1）大倾角煤层斜梯形巷道顶板应力、位移及塑性区分布具有明显的非对称性特征。斜梯形巷道在受载、变形与破坏等方面呈现出“顶板下挫，底板隆起”的变形破坏形式。斜梯形巷道顶、底板移近量明显大于两帮移近量，巷道围岩塑性区破坏形式，低帮以三角形状剪切破坏为主，顶板和高帮以半椭圆状的拉伸破坏为主。

（2）针对大倾角煤层斜梯形巷道围岩破坏特征，提出“高强度锚杆、锚索”联合支护方案，通过恢复和强化围岩的完整性和承载能力，与高预应力强力锚杆支护系统共同组成具有高强度、高抗变形能力的完整围岩承载结构；对易变形破坏的顶板、高帮及肩角关键部位要重点加强控制。现场监测治理效果显著，巷道围岩整体稳定性得到基本控制。