大倾角煤层巷道破坏机理及控制技术研究*

2011-11-16张永清罗立强

采矿技术 2011年6期

关键词：倾角底板锚杆

彭刚，张永清，罗立强

(1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭市 411201;2.湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭市 411201)

大倾角煤层巷道破坏机理及控制技术研究*

彭刚1，2，张永清2，罗立强2

(1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭市 411201;2.湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭市 411201)

针对大倾角煤层巷道围岩难以控制的现状，分析了大倾角煤层巷道破坏的机理及破坏特征。利用FLAC软件分析了煤层倾角对巷道围岩应力分布、巷道变形的影响。结合某矿大倾角煤层巷道变形严重、返修率高的现状，设计了巷道支护控制方案，有效地解决了大倾角煤层巷道破坏严重的问题。

大倾角煤层;巷道围岩;破坏机理;锚杆支护;数值模拟

大倾角煤层一般是指倾角为35°～55°的煤层［1］。大倾角煤层在我国煤炭产量和储量中占有相当大的比例，特别是在四川、重庆、云南、贵州等地，大倾角煤层更成为某些矿井的主采煤层。大倾角煤层开采后围岩产生的运动、变形及破坏均呈现出明显的不对称和不均衡特性，煤层倾角对矿山压力有显著影响，其巷道稳定性及其变形破坏与近水平或缓倾斜巷道有较大差异［2，3］。在矿井生产过程中，大倾角煤层巷道往往破坏严重，采用传统的木棚木垛加强支护，巷道片帮严重，巷道变形大，控制效果较差。对复杂条件下的支护机理的认识还不够彻底和不够深刻［4，5］。通过对大倾角煤层巷道两帮受力模型分析及数值模拟，分析了大倾角煤层巷道破坏机理，探讨适宜可靠的大倾角煤层巷道加固支护手段与方式，对大倾角煤层的安全开采具有一定的意义。

1 工程概况

湖南湘煤集团某矿可采煤层为Ⅱ煤，厚0～2.6 m，平均厚 1.9 m，平均倾角 37°，普氏硬度 f=1.5。巷道老顶为灰白色厚层状中粗粒砂岩，厚15 m。直接顶为灰黑色砂质泥岩，厚0～3 m，含植物化石及黄铁矿结核。直接底为灰白色中粒砂岩，厚0.5～3.0 m。老底为深灰色砂质泥岩，厚6.0 m。工作面回风巷宽3.0 m，呈直边梯形状。随着矿井开采深度的加大，地应力升高，巷道不仅顶板下沉、两帮变形大，而且底鼓严重，返修率高。巷道围岩破碎变形和多次翻修不仅大大增加了支护成本和工人的劳动强度，而且给矿井生产带来严重的安全隐患。

2 两帮煤体受力模型

巷道开挖打破了巷道周围岩体的应力平衡，巷道周边围岩形应力集中，围岩应力达到或超过岩石的极限强度则发生塑性破坏。在集中应力作用下巷道两帮煤体首先遭到破坏，集中应力向巷道周围深部转移，直到煤体内应力弹性区边界。同时，在高瓦斯煤层中巷道两帮还受到煤体内瓦斯压力以及孔隙水压等附加内力P'作用。如图1所示，图中ABCD为应力极限平衡区，Px为支架对煤帮的支护阻力。受地应力、附加内力及岩层滑移面的影响，巷道两帮煤体向巷道空间挤压甚至冒落，直至巷道围岩新的结构平衡［6］。

图1 极限平衡区计算模型

煤巷两帮应力极限平衡区宽度x0为［7］:

式中，C0、φ0为巷道顶底板岩层与两帮岩层交界面的内聚力和内摩擦角;m为巷道高度，m;A为侧压系数;px为支护阻力，Pa;P'为内压力，Pa;x0为应力极限平衡区的宽度，m;k为应力集中系数;γ为上覆岩层平均容重，kg/m3;H为巷道埋深，m。

由上述分析可知，巷道没开挖前，巷道煤岩体处于三向应力平衡状态。巷道围岩储存着大量的弹性能，地压越高，积蓄的弹性能就越多。巷道开挖使得处于三向应力平衡状态的围岩瞬时大幅卸载，围岩承载能力大幅降低。特别是在巷道围岩的边缘，Px为零状态下，此处围岩处于二向围压应力状态，围岩强度和承载能力降到最低，破坏最为严重。由于积蓄的弹性能和内压力等作用，巷道围岩有向自由空间面移动的趋势，造成巷道两帮煤岩体破裂片帮，完全失去承载能力。

3 巷道破坏特征

(1)围岩结构松散，顶板围岩易冒落。一般情况下，煤巷围岩层理结构都比较发育、松软、破碎、分层多、厚度小、胶结性差。巷道形成后，顶板及两帮煤体产生变形，在支护不当的情况下，表现为顶板下沉以至于离层，导致围岩强度降低，顶部三角煤很难控制。

(2)巷道破坏变形呈现不对称性。大倾角煤层巷道掘进形成后，在煤层倾角和煤层开采动压的影响下，其变形和破坏均呈现不同程度的不对称性。巷道上帮破坏往往比下帮破坏严重，下帮底角煤层下凹，而上帮底角下部为强度相对较高的围岩，变形量小。巷道下帮则是中部鼓出，上帮则是上部明显鼓出，下部微凹，两帮水平移近变形较大。

(3)巷道变形受采动影响比较剧烈。煤层巷道围岩强度相对岩石巷道围岩要小得多，抗变形能力较差。煤层巷道一般离工作面比较近，受工作面开采推进及相邻巷道开掘所引起的应力扰动影响，巷道围岩破碎松动范围进一步加大，支架受损严重，变形更剧烈，巷道维护极其困难。

(4)巷道变形量大，具有软岩特性，难以稳定。受围岩强度和采动影响，煤层巷道的顶底板移近量可达1000 mm，两帮移近量1500 mm，巷道的收缩率达50%以上。巷道围岩不仅在掘进影响期间因应力扰动而引起围岩急剧变形，而且在应力重新分布趋于稳定后，仍持续流变，较长时间内难以趋于稳定。巷道支架在变形后损坏，严重影响了巷道的维护使用，这给生产带来了严重的不安全因素。

4 围岩变形数值分析

计算模型大小为:宽×高=100 m×100 m，网格为120 mm×120 mm，划分为14400个单元。计算模拟模型上部边界距地表约400 m，模型上边界的荷载由P=ρgh确定(ρ按照平均密度2.5×103kg/m3计算)，则模型的上表面施加均匀的垂直应力10 MPa，模型底部边界为水平、垂直位移固定(ux=0，uy=0)，左右两侧模型边界的水平位移固定(ux=0)，计算采用莫尔－库仑破坏准则，岩体参数见表1。

表1 数值模拟岩石参数

利用FLAC软件分别对不同煤层倾角巷道变形进行计算。计算结果显示，当煤层倾角为35°时，巷道下帮最大水平位移160 mm，上帮最大水平位移204 mm，顶板最大垂直位移为135 mm，底板最大垂直位移为141 mm。两帮移近量为364 mm，顶底板移近276 mm。巷道围岩应力集中区域边界距巷道两帮6 m。煤层倾角为45°时，巷道下帮最大水平位移231 mm，上帮最大水平位移287 mm，顶板最大垂直位移为131 mm，底板最大垂直位移为291 m。下帮围岩应力集中区域边界距巷道下帮7.3 m，上帮围岩应力集中区域边界距巷道上帮8.2 m。煤层倾角为55°时，巷道下帮最大水平位移254 mm，上帮最大水平位移272 mm，顶板最大垂直位移为106 mm，底板最大垂直位移为126 m。下帮围岩应力集中区域边界距巷道下帮7.0 m，上帮围岩应力集中区域边界距巷道上帮8.5 m。

在顶底板围岩及煤体力学性质相同的条件下，随着煤层倾角的增大，两帮水平位移也随着增大，两帮移近量由35°的364 mm增加到55°时的526 mm，顶底板移近量由35°的276 mm增加到50°时的446 mm，当煤层倾角为55°时，顶底板移近量为232 mm，此时顶底板移近量有所减少。在煤层倾角较小时，上、下帮主要以水平位移为主，顶底板主要以垂直位移为主。随着煤层倾角的增大，顶板水平位移量逐渐加大。围岩垂直应力和塑性区分布状态显示，随着煤层倾角的增大，应力集中向围岩深部移动，塑性区范围增大。巷道围岩的破坏范围随着煤层倾角的增大而增大。

5 工程应用

从某矿回风巷的地质条件及变形情况分析，采用单一的锚网支护难以控制围岩的变形。根据巷道联合支护的原则，采取锚－网－注的联合支护进行控制。

5.1 支护参数

锚杆选用Ф20 mm、L=2200 mm左旋螺纹钢高强锚杆，每根锚杆使用3卷K2350树脂锚固剂，锚杆间排距为700 mm×700 mm，如图2所示。

图2 锚杆锚索布置

金属网为直径6 mm钢丝，网孔100 mm×100 mm，规格为1000 mm×800 mm。金属网接茬处用锚杆加钢筋梯子梁将其上紧并紧贴岩面，网间搭茬长度不少于100 mm。钢筋梯子梁由直径12 mm圆钢焊制而成。锚索为Ф15.24 mm预应力钢绞线制作，锚索长度L=6.3 m，每3000 mm打一根锚索，布置于巷道正顶处，锚固长度为1600 mm，每根锚索使用4卷K2350树脂锚固剂。锚索垫板采用两块垫板叠加，其规格分别为350 mm×350 mm×10 mm和150 mm×150 mm×10 mm的正方形垫板，大垫板在上，小垫板在下。两帮底角采用425#普通硅酸盐水泥材料注浆。注浆孔长度3.0 m，直径32～42 mm;注浆管为无缝普通铁管，外径20 mm，长1.5 m。

5.2 矿压观测

为检测巷道的支护效果，判断巷道围岩的稳定性，在巷道中设立表面位移及顶板离层观测站，每隔20 m布置1个测站。表面位移每个测站设2个测面，在每个断面的顶、底板和两帮的中部各布置1个测点。顶板离层观测站设一个深6 m的基点和2个浅基点。通过对风巷表面位移的监测，在118 d的观测中，两帮移近量为330 mm，顶板下沉量为127 mm。巷道支护效果比较良好，很好地控制了巷道围岩的变形。