大断面煤巷采动变形分析与支护控制设计

吴俊杰

（晋能集团王家岭煤业有限公司， 山西 忻州 036600）

1 工程概况

王家岭煤矿位于河东煤田南部，吕梁山脉的南麓，井田的煤炭地质储量为22.87亿t，工业储量为11.44亿t，可采煤层储量7.63亿t，主采煤层平均厚度6.2 m，设计生产能力为600万t/年，是特大型现代化矿井。煤层以亮煤和镜煤为主，暗煤少许，煤中镜煤的内生裂隙发育，煤层含1～2层泥质夹矸，厚度0.05～0.15 m。直接顶为平均厚度2 m石灰岩和1.5 m厚泥岩；伪顶为高岭石泥岩，厚度为0.3 m；直接顶为砂质泥岩平均厚度1.53 m；老顶为软弱砂岩与泥岩互层，平均厚度2.38 m；底板为平均厚度2.04 m的灰黑色砂质泥岩。采动巷道不同地点的顶板岩性和赋存厚度变化很大，且巷道断面跨度大，顶板中部拉应力集中，离层破坏范围大。其中东四正巷是二次复用巷道，长1 846 m，巷道设计为矩形断面。以东四正巷为研究对象，对其不同支护方式下煤巷非对称变形破坏特征进行了分析，确定了非对称支护方案，效果理想[1-2]。

2 巷道非对称变形破坏的分析

2.1 非对称变形破坏特征

1）以底臌为主的非对称变形特征。东四正巷底板主要以泥岩和砂质泥岩为主，其中含有大量的膨胀性矿物，且局部有淋水现象，在水和外力作用下，底板岩石易发生砂化、泥化，甚至崩裂现象，从而导致岩体强度的减弱甚至失去承载力，发生底臌现象[3]。

2）顶底板变形的非对称性特征。王家岭煤矿煤质松软，顶板为多层泥岩组成的复合顶板，并且层理裂隙发育，分层厚度 0.1～0.3～0.5 m，裂隙间距0.1～0.5 m节理裂隙发育，易产生离层破坏和垮落。巷道断面跨度大，顶板中部拉应力集中，离层破坏范围大。

3）帮部鼓出，严重部位出现折断现象。采动剧烈影响下东四正巷，除了出现恶性冒顶和严重离层下沉外，煤帮出现向巷道内整体大内移、垮帮现象，煤帮局部位移量达1～2 m。

2.2 破坏原因

围岩岩性。地下岩体为一复杂的非连续地质体，组成成分不同，力学参数差别也非常大。

支护方式。东四正巷周边岩层结构为非对称，应力分布表现为非对称性。在该条件下，传统对称支护形式支护强度低、支架受力不均匀，无法有效控制巷道的变形[4-5]。

地应力。地应力作为工程岩体赋存环境，其量级、方向以及空间分布规律直接影响围岩的力学属性、应力的分布和演化规律、变形特征和破坏机制。

3 巷道非对称支护优化模拟与结果

3.1 模型的建立

根据王家岭煤矿工程实际，运用FLAC3D数值软件建立计算模型，模型尺寸：长×宽×高=316.5 m×160 m×45 m，约束水平位移，底部为固定边界，约束水平位移和垂直位移，上覆岩层的重力按均布荷载施加在模型的上部边界，东四正巷顺槽平均埋深560 m，施加荷载13.72 MPa，模型中各岩层和煤体的力学参数设置见表1。

表1 计算模型中岩层和煤体的力学参数

3.2 模拟结果的分析

模拟计算可以得到非对称形式支护结构的syy云图和围岩塑性区分布情况，水平横向应力的最大值为2.22 N/m2，虽有一定应力集中现象，但分布情况明显转好；syy方向的应力等值线图分析的水平纵向应力的最大值为1.79 N/m2，通过szz方向的应力云图可以看出其最大值为2.18 N/m2，底部的应力集中现象及范围显著减小，朝中部靠近，非对称应力变形特点有了显著改善，呈现出较为对称的应力分布状态。在巷道变形，帮部最大位移值为131 mm，顶板最大下沉值120 mm，底臌最大值为53 mm，在非对称支护条件下巷道的位移特点和底臌现象显著减小，围岩塑性破坏范围得到了有效控制，非对称变形特征在对称支护条件下得到了显著改善。

4 工程实践分析

4.1 支护方式与设计参数

根据数值模拟的结果，可以认为在非对称支护条件下巷道围岩的变形破坏特征得到有效改善，应力载荷分布特征呈现出较均匀化现象，控制效果较为明显。优化后的非对称支护方案如图1所示。

图1 非对称支护方案布置图（单位：mm）

与原对称支护设计方案相比，非对称支护方案有以下几点改进：

1）顶板。将锚索改为Φ15.24 mm×8 500 mm，并于靠近左帮顶板处增设单体锚索，增加钢绞线抗拉强度到1 720 MPa，加强巷道顶板的支护，控制巷道顶板下沉量。

2）两帮。左帮支护密度改为6根，锚杆支护长度改为2.4 m，并增设单体锚索，将两帮锚杆种类改为高强度无纵筋左旋螺纹钢锚杆，加强巷帮锚杆的支护强度，控制巷道帮部围岩变形量。

4.2 非对称支护效果评价

4.2.1 巷道位移监测

采用顶板动态仪和DB-II巷道断面收敛计进行巷道围岩表面位移监测，顶板动态仪的目的是连续监测巷道顶底板移近量；DB-II巷道断面收敛计的目的是监测巷道两帮围岩移近量。东四正巷试验段长度为200 m，巷道围岩表面位移观测共安设3个测站。

由图2可以看出，东四正巷测站从开掘后20天开始收敛速度较大，到30天趋于稳定，该阶段两帮移近量小于160 mm，顶板下沉量小于110 mm。从第50天开始收敛速度加快，到第120天重新趋于稳定，这一阶段两帮移近量小于410 mm，顶板下沉量小于310 mm，分析原因是因为该阶段受24503回采工作面采动影响。

图2 东四正巷围岩表面位移测站曲线

4.2.2 巷道离层监测

在东四正巷试验段（长度为200 m）安设KZL-300型巷道顶板离层自动监测报警装置，总计安设15个顶板位移传感器及配套的报警器，测站间距为15 m，如图3所示。

图3 东四正巷顶板离层测站布置图

东四正巷试验段实验长度为200 m。通过顶板离层的监测结果比较分析可以得出东四正巷试验段测站1、测站4、测站7、测站11的离层值分别为13.5 mm、15 mm、6 mm和7 mm，顶板离层平均值不超过11 mm，顶板处于稳定状态。

5 结论

1）通过工程地质条件和工程岩体分析，结合FLAC3D数值模拟软件对大断面破碎煤巷的变形破坏过程进行分析，表明该围岩巷道变形破坏存在显著的非对称性。

2）大断面破碎煤巷非对称变形破坏原因主要有地应力、支护方式、水理作用，并总结了以顶底板和两帮为主的非对称变形破坏特征。

3）由理论分析及数值模拟结果可知，受工程地质环境和采动影响，王家岭煤矿东四正巷处于高应力环境中，加上支护体与关键部位的不耦合作用，巷道易产生大变形破坏。对该巷道进行支护方式的改进后，工业性试验与矿压监测表明，巷道围岩变形量得到了有效控制，顶底板移近量降低了21.4%，两帮变形量降低了51.3%。