掘进工作面空顶区围岩稳定性分析

＊田柯 刘彬禹 马一多 李建 张峻康

（1.山西能源学院矿业工程系 山西 030600 2.中国矿业大学（北京）能源于矿业学院 北京 100083 3.中国航天建设集团有限公司 北京 100071）

20世纪80年代，由于煤矿设计的变革，采取了降低集中巷的布局形式，在煤层内设置了开拓巷、采准巷，使岩巷的工程量逐渐减少。自2008年起，我国国有重点矿井的年掘进总量已达8000km以上，70%左右是煤巷，20%是半煤岩巷10%是全岩巷。煤岩巷道施工是一种多工序交替进行的复杂施工技术，主要由五个关键环节构成：破、装、运、支、测。掘进速度的高低，既与掘进装备的现代化水平有关，又与各生产工艺之间的紧密配合密切相关。

近几年，由于矿山综合机械化水平的提高，采掘失衡的矛盾日益突出，因此，煤巷的快速掘进已成为矿山安全、高效生产的关键。马长乐[1]为解决余吾煤业在高应力、高瓦斯、软煤层等复杂地质环境下难题，采用单巷掘进技术并对其进行了优化，使其工作周期缩短；杨仁树[2]为提高巷道掘进速度，分析现场出现的问题并提出解决方案，实现了巷道安全快速掘进；孟维波[3]对影响采空顶区顶板结构稳定的因素进行了分析，为空顶区复杂力学条件下的巷道变形及顶板崩塌提供了理论依据。索永录[4]对王家山矿井大倾角综放作业面平巷综采效果进行了分析；肖同强[5]分析了张双楼煤矿原综掘工艺主要存在的问题；杜启军[6]从地质条件、掘进和支护设备、支护参数和施工工艺4个方面分析了影响林南仓煤矿掘进的因素。本文以掘进巷道空顶区为切入点，对采场空顶区顶板围岩结构稳定性的影响因素进行了研究[7-9]。

1.工程背景

地质条件：范各庄井田位于河北省唐山市古冶区，是开平煤矿的一部分。矿区地点：东经108°8′，北纬39°33′。该矿的铁路线与林西矿、京山线、古冶站相连。该矿区已查明资源量47335.5万吨，其中已探明资源量20174.3万吨（其中煤炭13009.6万吨，损失煤7164.7万吨），保有资源储量7161万吨。

范各庄井田在开平向斜东南翼南端，范各庄井田由井田北翼的塔坨向斜和南翼的范各庄向斜构成，北翼为青龙山西向，其主斜轴在古冶北部向东西向倾斜，从而形成了一种由南向北的应力场。整个塔坨的轴线是东西向的，其中心位置是北部的弧形。因为塔坨的倾斜效应，北二背斜和井口倾斜得以形成，并且在轴线附近存在一条微型断层。范各庄的纵轴大致呈西北方向，轴心呈马鞍形，沿中轴方向有两个较小的盆地。井田内大断裂构造以范各庄斜区南缘为主，以及F5正断层为主的断层带共同构成开平煤田边界；另一组为F4、F11、F1，各有5～30m。另外，在井田中央还发现有SN型的断裂构造，主要以F0断层为主。范各庄井田内的区域分界受其褶皱和主要断层构造的制约，井田自然地分为若干个构造单元。

本井田所揭露的地质构造，总体来看，该矿区区内主要以断裂构造为主要特征（图1），塔坨斜区和范各庄斜区的构造特征比较复杂，其构造多与区域构造有关，并有一定的规律性。井田中部的单斜带构造比较简单，构造演化日趋复杂，断层数目增多，剖面形状也多种多样。

依据构造特征及样式，将该矿井井田划分为如图1的三个构造区，即位于井田南部的范各庄向斜区、北部的塔坨向斜区和中部的单斜构造区。

区内发育有断裂及褶皱构造，北部塌陷区主要的发育特征为陷落柱、褶皱和小型断裂构造，中部区域地层走向变化较小，地层倾角由南向北增大，为8°～24°，通常在15°以下。南部区域的主要特征为F5大断层和范各庄向斜。

图1 井田构造纲要及构造单元划分图

为了确定不同影响因素对于空顶区巷道围岩稳定性的影响，通过数值模拟的方法进行研究以分析不同影响因素对空顶区巷道及迎头稳定性的影响规律。

2.范各庄煤矿异型巷道数值模拟分析

(1)范各庄煤矿3X51S掘进巷道模型建立

采用数值模拟软件，通过生成岩层网格、定义计算本构关系、网格属性赋值、定义边界约束条件等步骤生成数值计算模型。

以范各庄矿3X51S掘进工作面顺槽作为研究对象，地面标高+23.04m～+24.32m，工作面标高-662.0～-608.0m。5号煤层属于简易结构的薄煤层，其厚度有很大的波动。在南部，其厚度最高，达到1.79m，而在北部，其厚度则最低，只有0.48m，平均煤层厚度为1.10m。从北到南，煤层的倾斜角度逐步减小，其平均值为13°。

巷道掘进会引起围岩应力的调整，但其影响范围并非无限大，而是局限于巷道周围约5倍巷宽的范围内，因此建立模型时可适当缩小计算分析的区域，重点对巷道掘进影响区域进行研究。此外，由于煤层的平均倾角约为13°，对巷道掘进会产生一定影响。考虑到边界约束条件对计算结果的影响，建立如图2所示的模型，该模型长×宽×高=60m×80m×45m，巷道尺寸5.4m×3.6m，巷道在煤层底板上方掘进。

图2 范各庄矿数值计算模型

位移边界：模型四周边界施加水平约束，模型底部边界固定，上部边界为自由。

应力边界：模型四周边界采用三向应力约束条件，应力为等效埋深大小，顶部施加等效均布载荷15MPa（600m的岩层重量）的垂直应力，相当于600m厚上覆岩层的重量，水平应力sxx为18.75MPa，syy为15MPa。

在计算过程中，采用煤岩体力学参数与相应地质报告及测试结果，煤岩层的力学参数如表1。图3所示为模型的初始平衡。

表1 范各庄矿模型各岩层物理力学参数

续表

图3 数值模拟初始平衡

(2)支护强度对巷道及迎头围岩稳定性的影响规律

顶板的支护形式多种多样，其变形规律同样不同。虽然支护形式多种多样，如锚网索、锚索梁、架棚等，但顶板的控制效果并不是多种支护形式简单的累加，在某些条件下，相同的支护效果可能采用的支护形式也不同。对此，需要以支护强度来代替支护形式对顶板控制效果的影响。

图4 不同支护强度时巷道及迎头围岩塑性区发育分布

不同的支护强度下巷道围岩的塑性区发育分布图如图4所示，在锚杆索间排距不变的条件下，仅改变预紧力大小来控制支护强度。从图4（a）～（c）可以看出，巷道围岩的破坏范围及深度随着支护强度的增加而不断减小，在高强度与无支护的模拟对比下，巷道两帮及顶底板减小破坏深度均为0.4m，效果明显，因此，支护结构强度增加会提高巷道稳定性。而从图4（d）～（f）可以看出，巷道迎头的塑性区受支护强度变化的影响较小，破坏深度约为1.2m。

岩体的承载力、状态由岩体内应力大小体现，图5（d）～（f）表现出超前应力峰值大小、位置没有变化，可见支护强度对于掘进迎头前方超前支撑应力分布影响不大，但是巷道围岩应力分布有很大差异，支护强度变大，巷道顶板应力随之增加，由0.104MPa拉应力变为0.162MPa压应力，此时说明巷道变为不稳定状态，随着拉应力增大，岩石抗拉强度低于拉应力时，围岩发生拉伸破坏，冒顶的危害会随时发生。为了巷道的稳定，需要加强支护，减小巷道两帮应力集中程度，顶、底板低应力区范围随着支护强度变大而变小，两帮应力集中区同样如此，说明对巷道的整体稳定有利，围岩应力状态并非与支护强度的增加呈正比，相关性较弱，高、低支护强度相比，顶板垂直应力增幅0.6‰，由0.162MP变到0.1621MPa，两帮峰值垂直应力减幅为3.3%，由21.6MPa变到20.9MPa，变化幅度很小。

图5 不同支护强度时巷道及迎头垂直应力分布云图

(3)空顶距对巷道及迎头围岩稳定性影响规律

设计空顶距为1.6m、3.2m、4.8m、6.4m、8m及9.6m六种工况，巷道开挖32m。

①空顶距对巷道及迎头塑性区发育状态的影响规律

随着顶板支护滞后迎头距离的不同，巷道空顶区及迎头的塑性区发育规律也发生变化，图6为空顶距不同时，巷道轴向及径向围岩塑性区的发育分布图。

图6 不同空顶距时巷道及迎头塑性区发育分布图

围岩塑性区的发育范围表征了围岩体的受力和承载状态，巷道掘进迎头和空顶区的围岩塑性区受迎头支撑结构、滞后支护强度、顶板上覆载荷三个因素影响。由于顶板上覆载荷和迎头支撑结构在给定条件下不再变化，因此迎头煤体的塑性区发育状态不受空顶距离影响，如图6（g）～（l）所示，迎头破坏深度为1.2m。而滞后支护的强度及其与迎头支撑结构的配合状态确定了空顶区巷道围岩的位移量及破坏状态，由图6（a）～（f）可知，塑性区发育演化规律与空顶区巷道围岩的位移量演化规律相似。

A.巷道深处塑性区发育受围岩结构及其自承能力影响，空顶距离对其不产生影响；浅部破坏状态与空顶距离及滞后支护形式相关，随空顶距离增加，空顶范围的顶板塑性区发育深度逐渐增加。

B.空顶距离的增大使得顶板作用于帮部压力的增大，帮顶协同变形，加剧帮部破坏，导致围岩松动圈的半径增加，上帮破坏深度由1.2m（空顶距离0～3.2m）增至1.6m（空顶距离4.8～8.0m）增至2.0m（空顶距离9.6m）；顶板破坏深度由1.2m（空顶距离0～3.2m）增至1.8m（空顶距离4.8m）增至2.2m（空顶距离6.4m）增至2.4m（空顶距离8～9.6m）。松动圈半径增大弱化了支护结构的可靠锚固基础，尤其是常用规格锚杆支护（锚杆长度1.8～2.8m），围岩塑性区的发育范围表征了围岩体的受力和承载状态，巷道掘进迎头和空顶区的围岩塑性区受迎头支撑结构、滞后支护强度、顶板上覆载荷三个因素影响，随空顶距离增加，空顶范围的顶板塑性区发育深度逐渐增加，因此空顶距离不宜过大。

②空顶距对巷道及迎头垂直应力分布的影响规律

自巷道围岩表面向水平两侧及迎头方向依次出现应力降低区、高支承压力区和应力恢复区，而垂直方向上则只有应力降低区和应力恢复区。

如图7（g）～（l）所示，空顶区距离变化对迎头超前支承应力的分布影响较小，为20.6MPa，主要受迎头支撑结构本身影响，对巷道顶底板及两帮应力的变化影响则较为明显。如图7（a）～（f）所示，随着空顶距增大，两帮垂直应力峰值从20.91MPa增大为24.06MPa，增幅15.1%，最大应力集中系数为1.6；顶底板垂直应力由压应力变为拉应力，且应力降低区范围不断增大，围岩自稳能力不断降低，当空顶距为1.6m和3.2m时，顶底板处于压应力状态；当空顶距为4.8～9.6m时，顶底板处于拉应力状态，拉应力从0.104MPa增大为0.133MPa，增幅27.9%。

图7 不同空顶距时巷道及迎头垂直应力分布云图

图8 不同煤（岩）层倾角时范各庄矿数值计算模型

综上所述，随着空顶距离的增加，顶板承载能力变弱，造成顶板压力向下部两帮转移，并向帮部深处延伸，两帮浅部围岩强度弱化程度高，不能有效承载顶部载荷，有效承载体为深部岩体承载，应力集中程度高，而帮部浅部围岩虽处于低应力环境，但其变形受顶底板压缩，仍会发生持续显著变形，不仅增大了顶板岩梁的有效跨度，还弱化了可靠锚杆支护的基础，这样顶板及两帮变形会不断增大，产生恶性循环。因此，空顶距应小于3.2m，使巷道顶底板一直处于压应力状态，承载能力强，有利于巷道整体的稳定。

(4)煤(岩)层倾角对巷道及迎头围岩稳定性的影响规律

根据煤层倾角的划分，设计为近水平煤层0°、缓斜煤层13°、倾斜煤层30°和急倾斜煤层50°共4种工况，分别建立范各庄矿数值模型如图8所示，网格划分大小一致。煤层倾角不同，一方面造成煤岩层内部应力传递路径不同，另一方面巷道顶底板及两帮岩性发生改变，二者共同对巷道及迎头围岩稳定性造成影响。

(5)煤(岩)层倾角对巷道及迎头塑性区发育状态的影响规律

如图9所示，随着煤（岩）层倾角增大，巷道顶底板及两帮围岩塑性区发育形态主要随煤体和岩体位置不同而发生变化，当煤层倾角小于45°时，顶底板岩性为岩体，则围岩塑性区破坏深度和范围相对较小；当煤层倾角大于45°后，顶底板岩性变为煤体，则围岩塑性区破坏深度和范围相对增大，顶板塑性区从1.4m增大为2.1m，增幅50%，且顶板岩性为煤体的位置产生拉伸破坏。迎头塑性区受煤（岩）层倾角岩性影响较小，破坏深度为1.2m。

图9 不同煤（岩）层倾角时巷道及迎头围岩塑性区发育分布

综上所述，煤（岩）层倾角时巷道及迎头围岩稳定性影响有限，对于倾角小于20°～25°的煤岩层，巷道围岩稳定较好，最大空顶距相对较大。5#煤层倾角为7°～19°，从理论及数值模拟分析结果表明，巷道最大空顶距可以达到3.6m（不考虑安全系数）。

3.结论

（1）支撑力对顶板、底板和两帮的承载状态有非常显著的影响。支撑力越高，支撑结构就越能承受荷载。然而，对于岩石本身来说，这种情况是最好的，盲目增加承载强度来改善其应力状态并不比施工本身好。应合理确定支护参数，以确保巷道的稳定性，也可快速开挖。

（2）随着空顶距离的增加，顶板承载能力变弱，造成顶板压力向下部两帮转移，并向帮部深处延伸，两帮浅部围岩强度弱化程度高，不能有效承载顶部载荷，有效承载体为深部岩体承载。