不同煤层倾角锚杆支护巷道围岩受力特征物理模拟研究

张向阳，杨 科

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001;2.安徽理工大学煤与瓦斯共采实验室，安徽淮南232001)

我国大倾角 (25～45°)煤层回采巷道大多采用传统的刚性支护技术，很难适应大倾角煤层巷道围岩在岩层结构特性和力学特性等方面的各向异性特征，巷道变形破坏比较严重，严重影响了大倾角煤层的安全开采。因此，发展大倾角煤层回采巷道锚杆支护技术是一条重要的技术途径，但煤层倾角的增大增加了此类巷道采用锚杆支护控制围岩稳定性的难度。实验室相似材料模拟试验一直是研究地下开采围岩移动、变形及应力分布的重要手段和有效方法。文献［1］通过相似材料模拟试验研究，分析了工字钢梯形支架、锚杆群支护和钢带组合锚杆支护条件下巷道煤帮的变形破坏特征，以及水平应力对巷道煤帮变形破坏的影响;文献［2］认为锚杆支护的主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，最大限度地保持围岩完整性，避免有害变形出现;文献［3］和［4］介绍了锚杆在煤巷支护中的围岩控制效果;文献［5］-［7］从不同巷道不同支护形式出发，分析了巷道围岩变形破坏特征及支护效果;文献［8］-［13］从不同测试方法、不同开采条件、不同支护形式出发，应用相似模拟具体分析研究了不同支护形式下的巷道围岩的变形破坏规律。综上，针对不同倾角煤层锚杆支护巷道的围岩受力变形破坏特征还没有深入的研究。

因此，结合淮南矿区大倾角煤层开采地质和技术条件，应用自制旋转相似模拟试验架，进行煤层倾角为0°，30°和45°的回采巷道开挖和锚杆支护的物理模拟试验，系统分析不同煤层倾角锚杆支护回采巷道围岩应力、变形和破坏特征，揭示倾角变化对锚杆支护回采巷道围岩力学特征的影响规律。

1 分析模型及煤层赋存条件

1.1 大倾角煤层巷道结构模型分析

力学模型的建立分为大倾角实体煤巷道和沿空巷道的整体结构模型 (图1和图2)。由于大倾角煤巷与水平巷道相比在空间构成上呈非对称结构，其围岩应力环境与岩层赋存角度及工作面回采有关，致使其应力分布的非对称性。实体煤巷道开挖后，巷帮两侧应力重新分布，形成侧向支承压力升高区，对于水平巷道而言，这种侧向支承压力是水平对称分布的，但是对于大倾角巷道两侧的侧向支承压力分布应该受煤层赋存角度影响;沿空掘巷是一类特殊的巷道，其特点为:巷道的一帮为已进入塑性状态的窄煤柱，另一帮为实体煤，巷道处于采空区侧应力降低区，但实体煤帮的应力集中系数比一般回采巷道高。这种类型的巷道无论水平或是大倾角的情形，其巷道围岩应力分布都是非对称的。在回采期间，巷道实体煤侧，工作面超前支承压力与原有集中应力叠加，形成高支承压力。

图1 大倾角实体煤巷道整体结构模型

1.2 煤层赋存条件

图2 大倾角沿空巷道整体结构模型

淮南矿区某矿A3煤层厚度2.4～4.5m，平均3.2m，为结构复杂的中厚煤层，硬度中等偏软。煤层下部发育有1～2层夹矸，夹矸厚度在0.2～ 0.8m左右，平均0.5m;煤层倾角28～31°，平均30°。63103运输巷位于 A3煤层中，标高为 －678m。煤层直接顶为浅灰色－灰色含铝质粉砂岩，厚1.9～5.3m，平均3.1m;基本顶为中粗粒砂岩，厚3.5～6.6m，平均5.0m;煤层直接底为泥质砂岩，厚3.2～6.7m，平均4.3m。

2 相似模拟模型构建

2.1 材料配比

根据现场及实验模型情况，取相似常数如下:几何比CL=1∶50;容重比Cγ=0.6;应力比Cσ= 0.012。

实验采用细砂为骨料，石灰和石膏为胶结材料，云母粉为分层材料。各岩层的主要力学特征和材料配比见表1。

表1 相似材料模型参数

2.2 模型实验架及支护措施

实验架采用自行研制的可旋转平面应变模型架(长×宽×高=2m×0.2m×1.5m)，根据煤层倾角不同，设计制作了3台0°，30°和45°的回采巷道锚杆支护实验模型，同一模型中开挖2条巷道，一条为实体煤巷道，一条为沿空巷道 (由先开采一工作面，保留5m煤柱实现)。

根据63103巷道锚杆支护参数 (采用高强度左旋螺纹钢预拉力锚杆、锚索、M型钢带、钢筋网或塑料网联合支护，其中锚杆规格为 M22－2500mm，间距×排距=650～800mm×800mm;锚索规格为φ15.24mm×6300mm，间排距为2000mm ×2400mm)，模型中锚杆用15A的保险丝，锚索用φ22mm的保险丝，钢带用1mm厚的赛璐珞，金属网用塑料纱网，锚固剂用石膏乳胶漆 (见图3)。

图3 模型加载和测试系统(30°)

2.3 监测点布置

分别在距巷道顶板表面 (1.5m，3m，5m，7m)、距高帮表面 (1.5m，3m，5m，7m)、距低帮表面 (1.5m，2.5m，4m，6m)和距底板表面(1.5m，2.5m，4m，6m)不同深度围岩中布置4条位移测线和距顶板表面 (1.5m，3m，5m，7m)、高帮表面 (1.5m，3m，5m，7m)、低帮表面 (1.5m，2.5m，5m)和底板表面 (1.5m，2.5m，5m)不同深度围岩中布置4条应力监测线，其中高、低帮沿煤层倾向布置、顶底板则按垂直方向布置。实验采用BX120－50AA电阻应变计进行应力监测，采用经纬仪进行围岩位移观测，数据采集系统为YJD－27型数据采集系统 (由KH－27型切换器、直流数字电压表、数据采集卡、计算机等组成)。

2.4 动载荷加载

模型采用6个液压千斤顶进行加载。为了模拟巷道开挖和工作面回采对巷道围岩力学特征的采动影响，巷道围岩压力采用应力加载系数的方式加载，每次应力加载系数 K按 0.5，0.8，1.0，1.12，1.25，1.37，1.5，……，2.5的梯度加载。当加载系数大于1时，表示为受采动影响的采动加载系数，每次加载间隔时间为3h。

3 巷道围岩受力变形分析

3.1 巷道围岩宏观破坏特征

实体煤巷道受围岩结构、开挖和采动应力影响，0°模型主要在巷道顶板发生断裂，出现明显离层、低帮煤体压出现象，但巷道保持较好 (图4 (a));30°和45°模型中巷道破坏过程和规律相似，高帮煤体出现片帮，顶板发生下错式移动、断裂、冒顶，导致低帮煤体受挤压力作用也发生片帮，围岩稳定性急剧降低，尤其是45°模型巷道围岩最终出现大面积失稳，巷道整体破坏 (图4(b)、图4 (c))。

图4 不同倾角煤层加载后实体煤巷道围岩破坏特征

对于沿空巷道，宏观破坏特征与实体煤巷也基本相同，主要表现在巷道高帮上角和低帮下角受顶板回转的影响，高帮最易发生剪切拉破坏，并随煤层倾角增大，破坏程度加剧。

由此可见，随煤层倾角增大，巷道围岩变形和破坏区域的各向异性和非对称性特征愈加明显。

3.2 巷道围岩应力特征分析

通过对实验数据的整理分析，从不同倾角煤层回采巷道深1.5m处围岩应力变化曲线图中 (其中应力用相对应变量表示 (图5))，可得相同受力荷载状态下的围岩应力演化特征。

图5 不同煤层倾角实体煤巷道围岩应力变化曲线

随煤层倾角增大，顶板围岩应力降低，达到峰值的时间推迟(图5(a));高帮、低帮和底板围岩应力均增高(图5(b)、图5(c)、图5(d))，而在高帮和底板中达到峰值的时间提前，低帮中达到峰值的时间推迟，而峰后应力均减小。

同时研究表明，巷道围岩不同部位不同深度的应力变化特征趋势与1.5m处围岩应力变化趋势基本相同;另外对于不同采动影响区，巷道底板受力及变形对动载系数的敏感程度，随煤层倾角增大而增大。

综上分析表明，受工作面回采影响，巷道围岩由浅入深均存在应力峰值并逐渐转移。随着煤层倾角的不同巷道顶底板、高低帮应力变化特点也不同，说明大倾角煤层回采巷道围岩应力环境存在着显著的各向异性及演化的非对称性。随煤层倾角增大，巷道高帮和底板围岩是控制变形和改善受力状态的重点区域。

3.3 巷道围岩位移特征分析

通过对模型巷道围岩变形观测的数据综合统计分析，得出巷道围岩位移演化与煤层倾角的关系曲线(图6)和特征(表2)。

图6 实体煤巷道围岩位移演化与煤层倾角的关系曲线

表2 不同倾角回采实体煤巷道围岩位移特征

(1)由图6可知，煤层角度为0°时巷道顶板累积下沉量为236mm，30°时巷道顶板累积下沉量为150mm，45°时巷道顶板累积下沉量为96mm，可见巷道顶板累计下沉量随煤层角度增大而逐渐减小，顶板岩层运动形式从竖直方向下沉逐渐向水平方向移动转变，倾角越大，煤巷顶板岩层发生下错式的变形移动特征越明显。

(2)随着煤层角度增大，高帮移近量缓慢减小 (图6)。与顶板岩层相比，高帮煤体的稳定性较差、变形量较大。0°和30°模型中的高帮没有发生明显的片帮现象，而45°模型中的高帮则发生了片帮，且由此导致顶板冒落 (图4c)。可见，角度越大，高帮的稳定性越差，巷道的整体稳定性也随之减弱。

(3)与高帮相比，低帮煤体的稳定性随着倾角的增大而增强，但30°模型中的低帮煤体的破坏最严重，发生了片帮现象。随着倾角的增大，低帮煤体的运动形态逐渐从水平方向的移动向竖直方向的移动转化，这与高帮煤体随倾角变化的运动形态相同。

(4)随着煤层角度的增大，底板相同深度岩层底鼓量逐渐增大，煤层倾角不同对巷道底鼓量影响越明显。当围岩应力水平较低时，围岩应力分布的各向异性程度较小，还不足以对巷道底板岩层位移产生较大影响。但随着围岩应力的不断增大，围岩应力分布各向异性程度也随之增加，并开始对巷道底板岩层位移产生较大影响。

综上分析表明，随着煤层倾角的增大，巷道顶板易发生下错式的变形移动，巷道顶板、高帮和底板是围岩变形控制的重点区域。

对于沿空巷道而言，除了加强顶板和底板的管理外，更要注重加固高帮侧煤柱强度，适应顶板的回转作用。

4 工程应用

对试验结果进行分析，工程实践中，对于大倾角煤层实体煤回采巷道，一方面，除对顶板、两帮进行常规锚网索支护外，还要在巷道高帮和底板采取相应的控制措施。因此，现场在高帮巷中位置沿巷道走向布置锚索，锚索直径为17.8mm，长度为5.3m，排距为2.4m，安设方向与煤层倾角基本一致;锚杆托盘使用边长为200mm的大托盘，在底板两脚处锚杆伪倾角15～30°;并在地质条件差的地方在底板偏低帮位置安设木支柱加强支护;另一方面，巷道掘进后及时支护围岩，并加强施工工艺和锚网索支护质量监管。

该技术在两淮矿区大倾角煤层锚杆支护回采巷道中进行了实践，取得了良好技术经济效果。

5 结论

(1)受工作面回采影响，随煤层倾角增大，实体煤巷道和沿空巷道围岩宏观变形破坏、应力分布的各向异性和非对称性特征愈加明显。不同采动影响区，巷道底板受力及变形对动载系数的敏感程度，随煤层倾角增大而增大。

(2)巷道顶板围岩应力随倾角增加而降低，两帮应力则随倾角增加而增加。煤层倾角的增加，实质是推迟了顶板和低帮相同深度围岩发生明显变形和应力到达峰值的时间，提高了其承载能力;但加快了高帮相同深度围岩发生明显变形和应力到达峰值的时间，降低了其承载能力。

(3)大倾角煤层回采巷道，应将高帮作为大倾角煤巷控制的重点，对顶板、底板的控制，主要是控制层间错动，防止产生拉应力，要求顶板锚杆具有强大的抗剪能力，沿空巷道主要加固高帮侧煤柱以适应顶板岩层回转作用。没有采取支护措施的底板围岩，是此类巷道控制的难点。

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