倾斜煤层沿空半煤岩巷断面形状优化研究

许 帅，高 林，2，3，刘鹏泽，张盼栋，刘 萍，3，马振乾，3，康向涛，3，汪永印，3

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.中国矿业大学(北京) 煤炭行业巷道支护与灾害防治工程研究中心，北京 100083；3.贵州大学 喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室，贵州 贵阳 550025)

贵州省煤炭资源储量丰富，但赋存条件复杂，且以(缓)倾斜薄及中厚煤层为主，现阶段工作面回采多采用留窄煤柱沿空掘巷护巷方式，导致倾斜煤层沿空半煤岩巷分布广泛。由于该类巷道围岩结构的非均质性、非对称性，巷道开挖后，呈现出明显的非对称性大变形特征，严重影响矿井的安全高效生产。

近年来，一些学者针对半煤岩巷的变形机理及支护技术进行了相关研究，取得了大量研究成果[1-9]，但大多针对半煤岩巷支护方式及参数的优化。已有研究表明，巷道断面开挖形状与围岩变形之间存在相互关联影响，巷道断面形状设计的合理与否，直接影响着矿井生产的安全和经济效益[10]。因此，相关学者针对巷道断面形状优化设计进行了研究。如南培珠等[11]依据轴变论思想，结合结构力学机理，得出“平顶弧帮”断面优于“直墙矩形”断面；李桂臣等[12]采用FLAC3D研究了几种典型断面在岩体中开挖后围岩塑性区分布、主应力差和围岩变形特征，在此基础上提出了“等效开挖”“无效加固区”概念；孟庆彬等[13]通过FLAC3D研究了6种典型断面在不同侧压力系数下对塑性区分布的影响，认为选取圆形及椭圆形巷道可以改善围岩变形；冯伟等[14]基于ABAQUS模拟得出在埋深小于400m，侧压系数小于1.6时矩形巷道围岩变形量与直墙半圆拱巷道差距较小；熊咸玉等[15]通过数值模拟、室内实验、现场实测，得出缓倾斜直角梯形巷道应力分布呈非对称性；张进鹏等[16]针对大倾角煤岩层巷道局部应力集中问题，采用数值模拟与工程实践相结合的研究方法，得出偏心直墙半圆拱形断面能够降低围岩应力集中，使围岩应力分布趋于合理化；杨胜利等[17]以羊场湾煤矿二煤综采工作面为研究对象，通过理论计算开采后的“两带”高度，结合现场实测，总结出不同巷道断面的适用性情况；马德鹏等[18]基于UDEC分析巷道的围岩能量释放，得出巷道边界越光滑，能量释放越低；郭晓菲等[19]通过理论分析与数值模拟验证了蝶形破坏理论在不同断面和不同层状围岩的适用性；罗毅[20]采用AUTODYN数值模拟软件研究不同断面形状对井下避险设施承受冲击载荷的影响；张一夫等[21]利用自主编制的(FCM)C++求解程序，对不同断面围岩散热展开研究，得出围岩温度场的分布受断面形状影响显著。

总结上述研究成果发现，已有针对巷道断面形状的优化研究多集中于近水平全煤(岩)巷，对倾斜煤层沿空半煤岩巷鲜有提及[22-29]。本文以贵州土城矿1511回风巷为工程背景，选取斜顶梯形、直墙半圆拱形及斜墙弧顶形三种类型断面，基于数值模拟分析不同断面形状开挖下的倾斜煤层沿空半煤岩巷塑性区分布规律与围岩变形特征，并通过工程实践验证研究成果的可靠性。

1 工程背景

贵州土城矿采区内采用区段下行式布置开采方式，即同一煤层上一区段开采完之后再开采下一区段。设计下一步1511工作面作为接替工作面，上部紧邻1509工作面，开采15号煤层，平均倾角20°，平均厚度2.1m，顶底板为泥质粉砂岩、粉砂岩等。由于上下区段间采用留设5m宽窄煤柱护巷方式，因此，1511回风巷沿顶掘进时属于典型的倾斜煤层沿空半煤岩巷，巷道布置如图1所示。

图1 巷道布置

实际调研中发现，由于采用支护方式的不同，当前该类巷道掘进断面形状主要有斜顶梯形、直墙半圆拱形和斜墙弧顶形三种类型，但围岩变形特点及控制效果不尽相同。因此，为给下一步掘进的1511回风巷断面形状设计提供理论依据，采用数值模拟方法针对上述三种不同断面形状开挖下的倾斜煤层沿空半煤岩巷围岩塑性区分布规律及变形特征进行系统研究。

2 数值模拟

2.1 数值模型与参数

为便于比较分析，上述三种断面尺寸(净宽×中高)均设定为5000mm×3100mm，其中斜墙弧顶形断面中斜墙外扎角度为5°，如图2所示。

图2 巷道断面参数(mm)

以1511回风巷为工程地质背景建立数值模型，主要煤岩层参数按照力学测试结果和相关地质资料取值，见表1。采用Auto CAD及MIDAS GTSNX软件建立1511回风巷不同断面形状开挖情况下的网格划分模型，同时将距离巷道两帮10m、顶板14m和底板10m范围内的网格进行加密处理，最后导入FLAC3D数值模拟软件中进行赋值计算。为进行对比分析，除开挖断面形状不同外，三个数值模型的尺寸、物理力学参数取值等均相同。以建立的斜墙弧顶形开挖断面数值模型为例，模型尺寸为150m×50m×80m，煤岩层倾角20°，共包括202670个节点、170775个单元，如图3所示。数值模型限制其侧向和底部位移，在模型上部施加12MPa模拟上覆岩层的自重，采用Mohr-Coulomb屈服准则，分析巷道开挖之后的塑性区分布规律与围岩变形特征。

表1 煤岩层物理力学参数

图3 三维数值模型(斜墙弧顶形断面开挖)

2.2 数值模拟计算步骤

为消除其他因素的影响，三种不同断面形状开挖下的数值模型的计算步骤均统一为：①模型参数赋值，计算至初始地应力平衡状态；②上区段1509工作面模拟回采，采空区自然垮落；③留设5m宽区段煤柱，进行1511回风巷开挖；④进行下区段1511工作面模拟回采，计算至平衡；⑤提取相关数据，分析1511回风巷围岩塑性区分布规律及变形特征等。

2.3 数值模拟结果及分析

2.3.1 巷道围岩塑性区分布

受掘采扰动影响，1511回风巷围岩应力重新分布，不同断面形状下的巷道围岩塑性区分布如图4所示，然后根据模型网格加密区及非加密区尺寸，顶底板及帮部塑性区最大深度统计见表2。

图4 不同断面形状巷道围岩塑性区分布

表2 不同断面形状塑性区最大深度 m

分析可知，三种巷道断面的塑性区扩展趋势基本一致，巷道围岩破坏首先从顶底板开始，产生局部剪切破坏带，然后沿着煤层倾向扩展，最后局部剪切带相互连接、贯通，形成较大范围的塑性区。同时，巷道左帮塑性区均大于顶底板塑性区且沿煤层倾向延伸并在巷道顶底板上下扩展。具体表现为：①斜顶梯形断面形状下巷道顶板塑性区扩展范围较大，与上区段工作面采空区侧形成的塑性区相连通，导致破坏范围加大；②直墙半圆拱断面形状下，由于巷道顶部形状变光滑导致巷道肩角部位应力集中程度降低，使得塑性区范围较斜顶梯形断面形状下缩小，无法与采空区侧形成的塑性区连通，破坏范围减小；③当巷道断面形状为斜墙弧顶形时，巷道断面形状整体更加趋近于圆弧形，同等条件下围岩承载性能优于前两者，围岩塑性区扩展区域相对较小，顶底板塑性区分布范围与斜顶梯形和直墙半圆拱形状相比均较小。

2.3.2 巷道围岩变形特征

为了分析不同断面形状开挖后围岩变形特征，在数值模型中沿巷道顶底板及左右两帮设置了4条20m长测线，顶底板测线沿巷道中线布置，左右两帮测线沿巷道腰线布置。每条测线均布置20个测点，不同断面形状下的巷道围岩位移变化曲线如图5所示。

图5 不断面形状围岩位移变化曲线

由图5分析可知，巷道围岩变形量大小整体呈现出“顶板煤体>左侧煤体>右侧岩体>底板岩体”，即煤体变形量大于岩体，非对称性特征明显。斜顶梯形、直墙半圆拱形、斜墙弧顶形三种断面巷道开挖后围岩位移演化规律基本一致，但随着巷道断面形状逐渐趋近于圆弧形(斜墙弧顶形)，巷道表面位移逐渐减小。具体表现为：①斜顶梯形的顶板下沉量(540mm)明显大于直墙半圆拱形和斜墙弧顶形，分别是两者的1.23倍、1.60倍；②斜顶梯形、直墙半圆拱形、斜墙弧顶形的底鼓量依次为55mm、48mm、39mm，斜墙弧顶底鼓量最小；③斜墙弧顶形左右两帮移近量最小，为169mm，斜顶梯形左右两帮移近量最大，为248mm。

综合上述研究结论可知，同等条件下，与斜顶梯形、直墙半圆拱形相比，斜墙弧顶形断面开挖更有利于倾斜煤层沿空半煤岩巷围岩变形控制。

3 斜墙外扎角度优化

为进一步获取斜墙弧顶形断面最佳斜墙外扎角度，从而指导巷道断面的优化设计，在前述数值模型的基础上，继续进行斜墙外扎5°、10°、15°三种情况下巷道围岩塑性区分布、围岩变形特征对比分析。不同斜墙外扎角度的巷道断面尺寸、围岩塑性区分布如图6、图7所示，塑性区最大深度见表3。

图6 不同斜墙外扎角度巷道断面参数(mm)

3.1 不同斜墙外扎角度塑性区分布

由图7分析可得，不同斜墙外扎角度下的巷道围岩塑性区分布基本一致，呈扁平状分布，且向煤层倾斜方向延伸，符合不同形状的巷道断面外接圆半径相同时，其塑性区分布规律基本一致的“等效开挖”理念[12]。由表3可知，随着斜墙外扎角度从10°增加到15°，底板塑性区最大扩展深度也随之增加。但当斜墙外扎10°时，巷道顶板及左帮的塑性区最大深度均小于斜墙外扎5°和15°。

图7 不同斜墙外扎角度巷道围岩塑性区分布

表3 不同斜墙外扎角度塑性区最大深度 m

3.2 不同斜墙外扎角度围岩变形特征

按照前述数值计算过程中巷道围岩位移监测方法，不同斜墙外扎角度下的巷道围岩位移变化曲线如图8所示。

图8 不同斜墙外扎角度围岩位移变化曲线

由图8分析可知，不同斜墙外扎角度下的巷道表面位移演化规律基本一致，但又存在差异，具体为：①斜墙外扎5°、10°、15°时顶板下沉量分别为337mm、250mm、280mm，斜墙外扎10°时巷道顶板下沉量最小；②斜墙外扎5°的底板鼓起量(39mm)最大，分别是斜墙外扎10°、15°的1.56倍、1.08倍；③斜墙外扎10°时巷道左右两帮移近量最小，为135mm，斜墙外扎5°时最大，为169mm。综合以上分析，斜墙外扎角度为10°时，巷道围岩变形破坏程度最小。

4 工业试验

综合上述研究结果和现场经验，设计确定1511回风巷掘进时采用斜墙弧顶形断面开挖，斜墙外扎角度为10°，如图9所示。同时，针对此类巷道围岩的非对称大变形，支护方案采用以“非对称预应力穿层锁棚锚索”为核心的“棚-索”协同锚护控制技术[8]。巷道服务期间，采用YJDM3.6矿用激光巷道断面检测仪对1511回风巷全断面进行了变形检测[30，31]，如图10所示。结果表明，回采期间断面最大收缩率仅为23.3%，巷道整体均匀协调变形，满足工程应用。说明1511回风巷以斜墙(外扎10°)弧顶形断面掘进，能够保持巷道围岩的稳定，进一步验证了研究结果的可靠性。

图9 外扎10°斜墙弧顶形断面开挖

图10 巷道变形全断面激光检测示意(m)

5 结 论

本文以结合具体工程背景，选取斜顶梯形、直墙半圆拱形及斜墙弧顶形三种类型断面，基于数值模拟分析不同断面形状开挖下的倾斜煤层沿空半煤岩巷塑性区分布规律与围岩变形特征，并进行了工业试验验证，得到如下结论：

1)断面形状对倾斜煤层沿空半煤岩巷围岩塑性区分布、围岩变形特征影响显著，巷道围岩塑性区破环范围由小到大为斜墙弧顶形、直墙半圆拱形、斜顶梯形，巷道围岩变形量由小到大为斜墙弧顶形、直墙半圆拱形、斜顶梯形，斜墙弧顶形断面开挖更有利于该类巷道围岩变形控制。

2)同等条件下，斜墙外扎10°时的斜墙弧顶形断面在开挖之后围岩变形量与围岩最大塑性区深度均最小，为相对理想的巷道断面形状。

3)以贵州土城矿1511回风巷为工程实践对象开展了工业性实验，结果表明，选取斜墙(外扎10°)弧顶形断面掘进，服务期间断面最大收缩率仅为23.3%，巷道整体均匀协调变形，满足工程应用，验证了研究结果的可靠性。