急倾斜煤层重复采动回采巷道变形破坏机理与支护技术研究

2020-02-24张艳丽解盘石伍永平

煤炭工程 2020年2期

张艳丽，解盘石，伍永平

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安 710054)

中国煤炭在一次能源消费结构中的比重基本保持在50%左右，是中国经济发展的重要支柱。其中，急倾斜煤层(埋藏倾角45°以上)占全国煤炭储量的10%，年产量约占全国煤炭总产量的10%，我国四川省、贵州省、云南省等地区80%的矿区赋存有该类煤层，且大部分为优质的煤炭资源[1-3]。因此，急倾斜煤层开采对中国区域经济社会发展具有十分重要的作用。然而，回采巷道围岩稳定是急倾斜煤层开采亟待解决的关键难题之一[4-8]。大量研究与实践表明，急倾斜煤层与近水平煤层回采巷道围岩赋存状况差异大，巷道两帮为煤层顶底板，岩性存在差异，而巷道的顶、底板多为煤层，节理裂隙发育且强度较弱，开采扰动下巷道变形破坏特征较一般条件煤层更为复杂[9-14]。本文结合赵家坝煤矿急倾斜煤层软岩回采巷道工程实践，采用现场测试、数值计算和物理相似模拟实验方法，深入分析急斜煤层回采巷道变形破坏特征，提出重复采动影响下回采巷道的形状及支护方法，可为该类煤层开采巷道支护难题提供科学依据。

1 工程概况

赵家坝煤矿地质条件复杂，目前可采煤层自上而下依次为8#、9#、10#煤层，煤层倾角在55°以上，煤层间距小，其中9#煤层与10#煤层平均间距约2m。根据煤层赋存情况及开采技术条件，该矿采用伪俯斜走向长壁采煤法，同一区段工作面自上而下回采。3964工作面位于9#煤层，工作面倾斜长80m，走向长360m，平均倾角64°。3964巷道属半煤岩巷，埋深约600m，煤层层理和节理高度发育、夹矸多，煤层顶底板均为泥、炭质软弱岩石，巷道底板距10#煤层距离小，仅1.32m。巷道断面为等腰梯形，净高2.4m，宽3.0m，巷道采用工字钢架棚支护，上方空洞采用木材背板架实。该巷道为沿空留巷，相继服务于两个工作面，服务年限长。巷道不仅受到本层煤两个工作面开采扰动影响，也受到8#和10#煤层工作面开采扰动，煤岩层综合柱状图及巷道布置关系如图1所示。

图1 煤岩层综合柱状图及巷道布置关系

2 急倾斜煤层回采巷道变形破坏特征

由于3964工作面回采巷道围岩构造与应力环境复杂，加上受重复采动影响，在巷道掘进和工作面开采过程中巷道发生严重的变形破坏，当3964工作面开采阶段，巷道首先出现底鼓，继而引起巷道帮脚破坏，最终导致顶板下沉，靠近煤层底板侧工字钢棚腿出现严重的弯曲、扭转和钻底现象。当3966工作面开采阶段，巷道断面逐渐由梯形变成不规则四边形，局部顶底板移近量达1m，需多次维修才能勉强维持生产。

3 急倾斜煤层回采巷道围岩松动圈测试

现场采用多通道透视雷达对3964工作面回采巷道进行围岩松动圈探测，最大探测深度为12m，试验段共设置了8个测站，间距为10～15m，每个测站依次在巷道底板、靠近煤层底板侧巷帮、巷道顶板、靠近煤层顶板侧巷帮布置4条测线，巷道测线布置方式如图2所示。

图2 巷道测线布置方式

根据现场多个测站测试结果可知，不同测站的围岩松动圈大小不同，同一测站不同部位的围岩松动范围也不尽相同。以二号测站的围岩松动圈探测结果为例，巷道底板、靠近煤层底板侧巷帮、巷道顶板和靠近煤层顶板侧巷帮分别在深度2.5～4.0m、2.1～4.2m、1.2～2.3m和1.7～4.2m范围内，波形明显弯曲，之后波形区域平缓，波形出现明显弯曲的位置为围岩松动圈的范围。

松动圈测试结果见表1，由巷道围岩松动圈测试结果可以看出，测试中巷道底板、靠近煤层底板侧巷帮、巷道顶板和靠近煤层顶板侧巷帮的围岩松动圈范围分别为1.4～5.5m、1.8～4.5m、1.5～4.0m和1.8～4.1m。总体看来，巷道围岩松动圈具有明显的非对称特征，巷道底板松动圈范围最大，靠近煤层底板侧巷帮松动圈与靠近煤层顶板侧巷帮次之，巷道顶板松动圈范围最小，松动圈测试结果与现场巷道围岩变形特征具有一致性。

4 急倾斜煤层回采巷道形状及支护方案设计

根据巷道变形破坏特征及围岩松动圈测试结果，利用9#煤层直接顶板完整性较好、强度较大的特点，将巷道断面形状调整为半斜墙拱形，其中，靠近煤层顶板侧岩层为斜墙，斜长2.6m，另一侧巷帮及巷道顶板为半径1.5m和4.3m的双心拱，巷道高为2.5m，底板宽为3.4m。

表1 松动圈测试结果

基于围岩变形及松动圈测试结果，结合该矿以往的巷道支护经验，初步提出了采用“强力锚杆+长锚索+W钢带+钢筋网”非对称耦合支护方式，每个断面巷道两帮及顶板共布置9根Φ18mm×2000mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，靠近煤层底板侧巷道底板布置2根Φ18mm×1800mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800mm×800mm，并配合W钢带和菱形金属网。同时每排布置5根Φ17.8mm×6000mm双股笼形锚索，间排距1000mm×3200mm，巷道断面形状与支护方案设计如图3所示。

图3 巷道断面形状与支护设计方案(mm)

5 急倾斜煤层回采巷道围岩变形破坏特征的数值模拟

根据初步设计的巷道断面形状与支护方案，采用FLAC2D数值计算软件对急倾斜煤层回采巷道不同开采阶段的围岩变形破坏特征进行了模拟和分析，不同开采阶段巷道围岩变形破坏特征如图4所示。

图4 不同开采阶段巷道围岩变形破坏特征

巷道初掘后未支护时，由图4(a)可知，巷道底板及靠近煤层底板侧巷帮变形较巷道顶板及靠近煤层顶板侧巷帮大，即两侧变形呈现明显的非对称性，最大变形出现在底板，位移量达到0.309m。由图4(b)可知，巷道围岩破坏范围较大，其中靠近煤层底板侧巷帮破坏深度较大，最大达4m，以剪切破坏为主；底板和靠近煤层顶板侧巷帮围岩以拉伸破坏为主。

图4(c)表明，巷道在支护下，围岩变形大大减小，底板变形量较两帮和顶板大，最大变形位于底板中部的软弱岩层中，变形量为0.10m，两帮的变形最大值约0.05m。图4(d)表明，靠近煤层底板侧巷帮深部围岩的剪切破坏范围及巷道底板和靠近煤层顶板侧巷帮围岩拉伸破坏均明显减少，仅靠近煤层底板侧巷帮下侧有较小的剪应力破坏范围，非对称耦合支护改善了围岩的整体强度，巷道围岩的破坏范围零星分布。

由图4(e)可以看出，上区段3964工作面开采后，巷道变形量显著增加，其中巷道底板变形量最大，最大变形量为0.40m。由图4(f)可以看出，3964工作面开采后，工作面顶板破坏应力主要以拉应力为主。

图4(g)和图4(h)表明，下区段3966工作面开采后，巷道围岩变形量较大，巷道底板和靠近煤层顶板侧巷帮变形量较大，最大变形量位于底板，最大值为0.50m。由此说明下区段开采后，整个巷道变形剧烈，呈现“顶板下挫，底板隆起”的变形破坏形式。

6 急倾斜煤层回采巷道围岩变形破坏特征的物理相似模拟实验

采用物理相似模拟实验方法来研究半斜墙拱形巷道的支护形式及受采掘影响后巷道围岩的变形破坏特征，实验选用平立组合加载相似模拟实验装置，该实验装置顶部和两侧帮分别布置9个千斤顶，可实现顶部和侧帮加载，顶部和侧帮最大加载载荷为270kN(0.3MPa)。

式中，lp为现场原型的几何尺寸，mm；sp为现场原型的位移，mm；γp为现场原型容重，N/m3；σp为现场原型的应力，MPa；Fp为现场原型的载荷，MPa；lm为实验模型的几何尺寸，mm；sm为实验模型位移，mm；γm为实验模型容重，N/m3；σm为实验模型的应力，MPa；Fm为实验模型的载荷，MPa。

根据工作面综合柱状图和煤岩物理力学参数，确定各煤岩层相似材料配比，相似材料配比见表2，相似模拟实验模型如图5所示。

表2 相似材料配比

图5 物理相似模拟实验模型(mm)

实验采用施加顶压和侧压的方式来模拟巷道上覆岩层的静载及采掘影响的动载，最终破坏形式如图6(a)所示。

采用全站仪和百分表对巷道表面位移进行全程监测。全站仪监测结果显示，围岩变形量随着采动的影响呈增加趋势，其中靠近煤层底板侧巷帮变形量最大，巷道底板和靠近煤层顶板侧巷帮次之，巷道顶板最小。巷道围岩表面位移特征如图6(b)所示，由图6(b)可知，上区段3964工作面和下区段3966工作面开采后巷道底板侧巷帮变形量分别为15mm(实际0.15m)和40mm(实际0.4m)，底板变形量分别为7mm(实际0.07m)和16mm(实际0.16m)，靠近顶板侧巷帮变形量为5mm(实际0.05m)和10mm(实际0.1m)，巷道顶板变形量为2mm(实际0.02m)和5mm(实际0.05m)。

图6 巷道围岩表面变形特征

采掘影响前后巷道表面位移结果如图7(c)所示，由图7(c)可知，3964工作面和3966工作面开采结束后，靠近煤层底板侧巷帮围岩发生移动的范围达到0.3～0.4m(实际3～4m)，巷道底板和靠近煤层顶板侧巷帮围岩发生移动的范围约0.2m，巷道顶板岩体移动范围约0.2～0.3m(实际2～3m)，与围岩松动圈测试结果基本一致。