急倾斜综采工作面矿压显现规律及其控制研究

赵平赪

摘 要：本文以西坡煤业2502工作面为工程背景，针对急倾斜煤层巷道围岩变形大的难题，研究采用强力锚杆、注浆锚索、W型钢带、钢筋网及喷砼的多结构非对称耦合支护方案，并利用数值模拟软件对支护方案的可行性进行验证，通过现场支护效果的分析发现，巷道围岩变形得到有效控制，保证矿井的安全生产。

关键词：围岩应力;急倾斜煤层;围岩急倾斜煤层;非对称耦合支护

0 引言

随着矿井采掘深度的不断延伸和开采强度的加大，易开采的煤层已逐步采掘完毕，矿井的开采正向赋存条件较为复杂的煤层转移。对于煤层倾角>45°的急倾斜煤层由于煤层顶底板及两帮岩体的岩性特殊，所以巷道的围岩变形及矿压显现情况也复杂。急倾斜煤层巷道应力及变形呈现出非对称的状态且由于煤层倾角较大，极易引起岩层的滑移。本文过急倾斜煤层巷道围岩破坏机理进行分析研究的基础上，结合矿井实际提出针对性的支护技术措施，并采用数值模拟软件对巷道支护方案进行安全验证。同时，也为矿井地质条件相类似的工作面巷道围岩控制提供参考与借鉴。

1 巷道变形破坏机理研究

基于巷道围岩松动圈理论可知，围岩的应力分布呈现出非对称的形态，所以急倾斜巷道的围岩变形呈现非对的形态。急倾斜煤层巷道的矿压显现情况与缓倾斜及倾斜煤层大致相同，但在开采急倾斜时，由于煤层倾角较大，所以岩石的重力与岩石层理夹角减小，所以在层理方向上重力的作用效果明显增大，易导致巷道顶板冒顶落。

特别是急倾斜煤层巷道煤岩在受到重力作用影响下沉，且在倾斜面上会有下滑的趋势。所以巷道的顶板及两帮会朝着掘进方向发生变形。随着围岩的松动破坏向着岩体深部扩展，顶板上部应力拱会朝着巷道的上角移动，使得巷道的应力环境重新分布。巷道两帮由于支撑力的不均匀性，造成巷道左帮的水平及垂直压力升高，围岩变形严重，发生煤岩的破坏。同时由于应力分布的不对称性，巷道围岩的破坏及变形在同断面内也存在明显的不对称性，且在靠近顶板的位置围岩变形大，所以顶板的冒顶多出现在这一侧。对岩石的重力进行分解，分解为垂直层面的分力及沿着层面的分力，随着煤层的倾角增大，重力在层理方向的作用逐步增大，当重力的分力大小超过岩层间的内聚力时，岩层发生相对错动。当煤层巷道的顶板岩层较为坚硬且煤层与相接岩层的岩性较为松软时，滑动现象极为明显，从而引起顶板的上覆岩层下沉，当巷道的底板为煤层时，底板会出现底鼓现象。

采用非封闭式支护技术进行支护方案，鉴于巷道的底板支护，会受到围岩应力传递影响，巷道的底板中部靠近下帮的位置出现裂缝，底板受到两侧的挤压形成弯曲状态，当达到新的平衡时，导致巷道底鼓的发生。

2 非对称耦合支护技术可行性研究

在原有锚网索耦合支护的基础上采用底板锚杆、注浆锚索等结构对底板进行补强支护。为了使支護效果达到最大化，对支护体及支护岩层进行变形协调，达到维护巷道稳定性的目的。经过分析最终确定强力锚杆、注浆锚索、W型钢带、钢筋网及喷砼的多结构非对称耦合支护方案。利用数值模拟软件来验证支护方案的可行性。

本文选取西坡煤业的2502工作面为研究对象。煤层的平均厚度为3.2m，煤层的倾角为53°，开采的2#煤层与4#煤层间存在夹矸层。老顶为细砂岩及粉砂岩组成。直接顶为1.6m的泥质砂岩。直接顶为1.5m的泥质粉砂岩。老顶为中厚泥质粉砂岩1.3m。首先进行模型的建立，对模型进行网格划分，在进行网格划分时，对模拟结果的精确性要求不高，所以适当的减小网格划分数。完成网格划分后对模型约束进行设置，支护方案选择锚网索+底角锚杆相非对称支护。完成建模过程后进行计算。计算结果如图1所示。

由上图可知，巷道围岩的应力呈现出非对称形态，巷道附近围岩应力释放明显，且在巷道的表面围岩应力值接近于零，在靠近巷道底板的位置低应力范围向着岩层的深部进行延伸。最大应力值出现在煤层的直接顶与老顶的接触面上，最大应力值为25MPa，且影响范围较大。观察图1（b）发现，巷道的左侧变形明显大于右侧变形，且两侧的变形呈现出非对称分别的状态。从图中可以看出巷道的左帮和底板的变形量较大，最大的变形位置出现在巷道的底板位置，底板的最大位移量达到了300mm左右，在巷道的左帮偏上的位置出现岩层的大幅度移动，导致巷道严重变形。

从图2可以看出，对巷道进行非对称锚网索支护后，围岩的应力分布情况明显有了大幅度改善，围岩的主应力分布出现均匀化的趋势，高应力区的应力分布逐步向着地应力区开始转化，但在巷道的直接顶和老顶的接触位置出现小范围的应力集中，应力最大值从25MPa降低至了20MPa。观察支护后的围岩围岩分布云图发现在经过锚网索支护后，围岩的变形量有了大幅度的减小，巷道的最大位移变形区出现在巷道的左侧底板，最大位移量仅为100mm，同时巷道两帮的变形量均小于50mm，可以看出支护后的巷道围岩变形得到了较好的改善。围岩整体应力及位移均大幅度减小。

通过数值模拟的分析可以看出，支护后的巷道围岩变形得到了有效的改善。将支护方案用于西坡煤业2#煤层巷道。监测支护后的位移变形情况。巷道围岩变形随时间的变化曲线如图3所示。

由图可知随着时间变化，巷道的围岩变形呈现出持续增长的趋势，但增长的速度随着时间的增长呈现出先增大后减小的趋势。顶底板及两帮的变形量在19天时区域基本稳定，顶底板的相对移近量为236mm，巷道的两帮移近量为115mm。顶底板的相对移近量在前19天时的平均速度为7.9mm/d，且最大的变形速度为11.3mm/d。随着时间的增加，顶板及底板的移近量呈现出减小的趋势，19天以后的平均速度降低至1.7mm/d。巷道的两帮的相对移近量在前19天时的平均速度为3.5mm/d，且最大的变形速度为7mm/d。随着时间的增加，两帮的移近量出现减小的趋势，19天以后的平均速度降低至0.9mm/d。在掘巷支护的前期，由于掘进的影响，巷道的变形较大，随着掘进时间的增加，支护体与巷道的围岩相互耦合，此时的巷道变形量趋于稳定，采用该支护方案有效控制巷道围岩形变。

3 结论

为控制急倾斜煤层巷道围岩变形大的难题，西坡煤业研究出强力锚杆、注浆锚索、W型钢带、钢筋网及喷砼的多结构非对称耦合支护技术。并采用数值模拟对支护前后的围岩应力场及位移场进行对比，发现优化后的最大应力值降低5 MPa，巷道围岩两帮的移近量降低至100mm。现场实践发现，巷道顶板及底板的移近量未236mm，最高移近速度为11.3mm/d，两帮的最大移近量为115mm，最大移近速度为7mm/d，支护效果良好，保证矿井的安全生产。