大倾角煤层巷道围岩变形破坏机理及支护研究

代小飞，王俊超

>(四川广旺能源(发展)集团有限责任公司，四川 广元 648200)

随着中西部浅部煤炭资源的不断开采，大多数老矿井已经进入到深部开采，由缓倾斜煤层过渡到大倾角煤层，尤其作为四川而言，大倾角煤层所占比重相当高，局部煤矿占到62%.由近年来的理论研究及工程实践分析看出[1-5]，与缓倾斜煤层围岩变形不同，大倾角煤层围岩结构体受力的非均匀性使得其围岩变化特征呈现出明显的非对称结构，因此，采用常规的对阵结构支护无法保证巷道的稳定性，时常导致顶板事故发生。本文以代池坝煤矿3963运输巷为例，对围岩变形非对称结构受力及支护体系进行分析研究，为后期安全回采提供理论基础，进一步降低事故发生的概率。

1 围岩力学性质测试

1.1 测试仪器及地质特征

为进一步研究大倾角煤层开采期间的围岩力学性质，结合现场围岩变形较为松散，无法正规取样的特点，利用点荷载测试仪，综合取值进行评定。现场使用的点荷载测试仪器参数：最大施加载荷100 kN，可以自行收录试件的破坏峰值；可测试的试件最大尺寸为高125 mm×宽100 mm，行程最大为54 mm.

经现场调查及煤层柱状图分析可知，该巷道煤层松软，极易破碎，围岩节理也较为发育，尤其是该巷道的顶板岩层层理特征十分明显。该煤层顶底板特性：伪顶为炭质泥岩；直接顶为淡灰色层状+泥质粉砂岩；老顶为中厚层状+细砂岩，局部含有粉砂岩；而底板则是薄层状+泥质粉砂岩。可见，该巷道的围岩结构也较为复杂，增加了巷道回采期间的维护难度。

1.2 试验结果

通过现场比对，选取能够反映全部地质特征的试样进行试验，同时对部分试件进行局部修剪，再进行测试。

现场测试结果见表1. 由表1中数据及现场分析可知：该煤层巷道的围岩层理较为发育，同时其各层理间区分较为明显，黏结强度也较低。

各顶底板层理厚度：老顶15～25 cm，直接顶15～30 cm，煤层30～50 cm，底板25～40 cm.测试过程中发现，虽然顶底板及煤层节理发育程度都较大，但是也有所差异性，相比较而言，发育程度为：煤层>直接顶>老顶,该项数据对今后的支护提供了一定的方向。

结合表1中数据，对抗压强度进行算术平均，测算出平均抗压强度：

表1 围岩力学试验测试数据表

式中：

n—各个样本取样数。

计算得出各顶底板、煤层的抗压强度：老顶49.24 MPa，直接顶52.66 MPa，煤样15.00 MPa，底板42.18 MPa.可见，顶底板抗压强度基本一致，相差不大，而煤层最低，也是最易破坏的。

2 围岩松动圈测试

2.1 测试仪器

本次对代池坝煤矿3963运输巷围岩顶底板及两帮进行围岩松动圈测试，测试仪器为SIR-20探地雷达，是美国GSSI公司最新生产的一种先进探地雷达仪器，该仪器主要优点就是精度高，测试数据可靠，且测试过程中其性能也十分稳定可靠，测试的最大深度可以达到12 m.

本次测试共设置4个测站，每个测站布置一样，分别在顶底板及两帮4个点上布线，共布置4条测线。

2.2 探测成果分析

根据现场探测及数据处理，探测数据结果见表2.

对表2数据对比分析，得出以下结论：

1) 对表2测量数据进行加权平均得出3963运输巷顶底板及左右两帮松动圈范围：顶板2.4～3.7 m，底板1.65～2.6 m,右帮1.73～2.85 m，左帮2.68～3.93 m.

表2 松动圈测试结果表

2) 由测试数据看出，3963运输巷左帮松动圈范围明显大于右帮，基本达到1.1 m.分析其原因主要是：大倾角煤层巷道的左帮(上帮)煤(岩)层在沿层面法向力作用下，逐步移动至回采空间，导致大倾角煤层巷道左帮(上帮)围岩松动圈范围明显大于右帮(下帮)。故可以得出，3963运输巷围岩变形呈现非对称分布，左帮变形明显大于右帮，支护重点就是要把这部分变形量缩小，使之与右帮变形量基本一致，保证整个巷道的稳定可靠。

3) 以表2数据为基础，再根据围岩松动圈理论推断出3963运输巷属于Ⅴ类大松动圈不稳定围岩，加之顶底板及煤层的力学性质，判断出该巷道的围岩为极易破碎性软岩。

3 数值模拟分析

为进一步了解代池坝煤矿3963运输巷围岩变形破坏的基本特征，利用数值计算分析软件进行模拟，为得出大倾角煤层巷道围岩变形破坏机理提供基础参数依据。

采用FLAC5.0程序对3963运输巷开挖后围岩变形破坏特征进行数值模拟分析，具体分析结论如下：

3.1 应力分析

由水平应力及垂直应力云图(见图1)可以看出，受开挖破坏影响，巷道的围岩应力分布范围变化明显，呈现出极具明显的非对称分布特征。

从水平应力云图可以看出，巷道左帮应力释放范围明显大于右帮应力释放范围，且低应力范围上右帮则比左帮小；低水平应力区主要集中在底板小范围区域内，而高水平应力区主要集中在左帮顶板的老顶与直接顶的交界面上，最大高应力为10.5 MPa；右帮顶部老顶与直接顶交界面处也有一定的水平应力集中，但值较小，仅有1.2 MPa.

从垂直应力云图可以看出，垂直方向上的应力释放范围主要集中在煤层附近，相比较煤层而言，靠近岩体的垂直应力释放范围较小，基本无应力释放，应力值也趋于零。但是右帮老顶区域内出现了一定的高应力集中，且集中范围较大，值域也较大，最大值达到18 MPa；相对右帮来说，左帮在垂直应力集中程度上比右帮低很多，值也较小，同时距离左帮也比较远，对围岩变形基本无影响。

图1 水平应力及垂直应力云图

3.2 变形破坏分析

从巷道位移矢量特征图(见图2)可以看出，围岩变形范围底板大于左帮，左帮大于右帮，底板最大变形量，即底鼓量达到0.62 m；左帮稍小，也达到0.5 m，故控制底板变形是支护的关键。

图2 位移矢量及塑性区特征图

由图2分析可知，受巷道开挖影响，整个围岩空间变形破坏均较大，主要还是剪切破坏，破坏范围最大达到6.1 m；围岩拉伸破坏主要位于底板及巷道左帮，尤其是底板拉伸破坏深度最为严重。

由此可以分析得出：受巷道开挖及围岩性质的双重影响，大倾角煤层巷道的塑性破坏通常是沿着煤岩层赋存方向延伸，加之各个岩层的塑性特性有所不同，造成的塑性破坏范围也有一定的差异，范围变化较大，其中，尤以左帮顶部沿着煤层倾斜方向的拉伸塑性破坏范围最大，故控制该范围的塑性破坏较为关键。

3.3 位移分析

从两帮及顶底板位移曲线图(见图3)分析得出，在水平方向上，左帮明显大于右帮，下部比上部略大；而垂直方向上，底板变形量最大，尤其是中部底板变形极为突出，左帮底板次之，右帮最小，基本无明显变形位移。从垂直位移看出，顶板基本上未发生大的下沉位移。综上可知，整个巷道的变形位移曲线呈现出明显的非对称走向趋势。

图3 两帮以及顶底板位移曲线图

4 工程应用

4.1 支护形式与参数

根据围岩力学性质及数值模拟结果分析可知，大倾角煤层巷道围岩承受的岩体载荷呈现出非对称性，左帮明显大于右帮，尤其是左帮顶部极为突出。根据非对称载荷所引起的非对称围岩变形，围绕“非对称”这一特征，通过合理的支护体系使之变成对称变形，故提出一种非对称支护体系对大倾角煤层巷道进行强力支护；同时对极为薄弱的区域，如顶帮、底角等加强支护，进一步稳固支护体。

根据代池坝煤矿3963运输巷实际变形情况，将巷道断面设计优化为半斜墙圆拱形，支护体系为非对称，支护形式选用锚网索+钢带+喷砼(二次)，支护施工断面见图4.

图4 锚网索非对称支护示意图

具体选用的支护材料如下：

1) 锚杆选用规格d20 mm×2 500 mm高强度左旋螺纹钢，全长等强，预紧力不小于70 kN，间排距800 mm×800 mm，巷道每圈布置11根，拱顶3根，左右两帮各3根，底板2根。

2) 锚索采用规格d15.24 mm×7 000 mm双股笼形锚索，全长注浆锚固，顶板中间布置2根，下帮中下部及上帮中部各1根，间距1 000 mm，排距3 000 mm.

3) 金属网采用10#铅丝，网片尺寸2 000 mm×1 000 mm，顶网片尺寸为4 100 mm×1 000 mm，网格规格80 mm×80 mm.

4) 锚杆、索托盘尺寸为200 mm×200 mm×14 mm、300 mm×300 mm×20 mm.

5) W钢带选用WD280-3.0，宽度280 mm，厚度3.0 mm，高度23.5 mm，孔径40 mm.

6) 二次喷砼。在锚网索+钢带安装后，进行二次喷层，喷层厚度为20 mm.

4.2 支护效果分析

为进一步了解该支护体系支护效果，选择一段采用新支护形式的试验段巷道进行观察。

1) 位移观测数据及分析。

对所观测的表面位移数据进行分析，绘制出巷道围岩表面位移-时间曲线图(见图5)及巷道围岩移近速度-时间变形曲线图(见图6).

图5 巷道围岩表面位移-时间曲线图

图6 巷道围岩移近速度-时间变形曲线图

由图5,6可得：

a) 从第18天开始，顶底板及两帮相对移近量基本趋于平稳，无明显上升趋势，从图8分析可知顶底板及两帮最大移近量分别为245 m和124 mm.

b) 从前18天位移变形数据来看，顶底板相对移近量平均变形速率为7.5 mm/d，最大变形速率为12.2 mm/d，初期变形速率上升较快在变形量趋于稳定后，变形速率逐渐下降至稳定，稳定后顶底板相对移近平均速率为1.3 mm/d.

c) 从前18天位移变形数据来看，两帮相对移近量平均变形速率为3.3 mm/d，最大变形速率为6.7 mm/d，初期变形速率上升较快在变形量趋于稳定后，变形速率逐渐下降至稳定，稳定后顶底板相对移近平均速率为0.82 mm/d.

2) 顶板多点位移观测数据及分析。

试验段巷道顶板深部观测数据随时间的变化曲线见图7.

图7 巷道围岩内部位移变化曲线图

由图7可知：浅部即0～2 m内的位移变化量较小，基本无明显变化，累计变化量仅有5 mm；而深部即2～6 m内位移量却较大，明显上升，上升至一定量后开始趋于平稳，累计变形达到18 mm. 表明非对称支护体系对整个大倾角煤层巷道的支护起到了一定的作用，尤其是对顶板有较好的控制，减弱了巷道顶板的变形，使之更加稳固可靠。

5 结 论

根据围岩力学分析及围岩松动圈测试，结合数值模拟，提出非对称支护体系，工程应用也取得了一定的成效，为此得出以下结论：

1) 大倾角煤层巷道顶底板处于煤岩体共存状态，两帮也处于不同塑性破坏的煤岩体，从而引起左右两帮不同的变形破坏，导致整个巷道所承受的载荷为非对称分布，加剧了围岩力学性质的非均匀性。

2) 围岩松动圈探测结果表明，左帮由于受到其上覆岩层法向力及地应力作用，持续不断地向回采空间转移，使得松动圈范围明显大于右帮，大倾角煤层巷道呈现出非对称变化。

3) 数值模拟结果表明：大倾角煤层巷道围岩力学性质呈现出不均匀性，引起巷道的围岩变形破坏具有明显的非对称性及不均衡性。

4) 针对大倾角煤层巷道围岩变形的非对称性，提出适合非对称锚网索支护方案，从观测数据得出，该方案有效控制了巷道的围岩变形，增强了巷道的稳定性及可靠性。