缓倾斜深埋回采巷道破坏特征及控制技术

2023-11-15宋梓瑜秦常浩

山东煤炭科技 2023年10期

李亮宋梓瑜秦常浩

（河北能源职业技术学院，河北唐山 063000）

随着浅部煤炭资源的枯竭，开采向深部转移。深部煤层巷道变形破坏特征呈现了新特点[1-2]，众多学者对于深部矿井巷道的控制进行了大量研究。贾后省[3]以赵固一矿为背景，揭示了采动巷道复合顶板离层破坏机理。谢龙[4]以寸草塔二矿为背景，研究了注浆参数对浆液扩散的影响。郑鹏强[5]以深部急倾斜偏压巷道为对象，研究其巷道变形破坏特征，提出了可缩性U 型钢全断面封闭支护和非对称性预应力锚杆（索）支护方案。谷拴成[6]针对中浅埋深矩形巷道顶板围岩弹塑性变形特点，建立矩形巷道顶板梁模型，为围岩表面以及跨中部位沿深度方向不同位置的下沉提供理论依据。

诸多学者的研究成果对指导现场具有重要的实际意义[7-10]，但对于缓倾斜近深埋（-690 m）回采巷道的变形破坏特征研究尚不充分。本文以东欢坨矿3015 工作面回采巷道为对象，使用FLAC3D软件，模拟无支护条件下围岩变形破坏规律，并根据其破坏特点对现有支护参数进行优化[11-12]。

1 工程概况

3015 工作面位于-690 m 水平中央下段采区南翼，北邻中央下段采区回风上山；南邻-690 m 水平煤12-1 联络巷，切眼距其平距95 m 左右；东邻3013 工作面采空区；西邻11 煤实体煤；垂直正上方为3085 和3095 工作面采空区；下方无采掘工程。

根据中央下段采区9、11 煤层工作面的实际揭露，3015 工作面掘进期间预测揭露15 条断层，其中11 条正断层、4 条逆断层。由北向南风道揭露7 条断层依次为：f184、f475、f3013-7、f390、f385、f386、f3095-3；运道揭露4 条断层依次为：f3095-1、f486、f489、f491；切眼揭露4 条断层依次为：f492、f493、f494、f495。

工作面属于11 煤层，煤层平均倾角20°，平均煤厚2 m，结构简单。直接顶为细砂岩，厚7.9 m，在直接顶中间夹杂1.1 m 厚的软弱夹层；基本顶为粉砂岩，厚度2.8 m。

2 无支护条件下巷道稳定性研究

3015 工作面属于缓倾斜煤层，回采巷道断面形状为矩形[13]，断面尺寸为4600 mm×2800 mm，属于半煤岩巷。现有弹性力学理论分析巷道稳定性时，通常将矩形巷道简化为圆形巷道，但查阅相关文献后发现，该方法主要应用于近水平煤层，对于缓倾斜煤层矩形巷道，其应用较少，故本文采用有限元分析软件FLAC3D研究缓倾斜矩形巷道破坏特征。

2.1 模型建立

根据3015 工作面实际情况建立数值模型，模型尺寸为69 m×4 m×34 m，自上而下共15 层，煤层处于中间层位。对模型x、y、z 方向分别施加17.25 MPa 的应力[14]，对模型的底部和左右两侧施加固定约束，然后开挖矩形巷道区域，未对巷道进行任何支护，研究无支护条件下巷道变形破坏规律。模型如图1，模拟所使用的物理力学参数见表1。

表1 岩石物理力学参数表

图1 数值模型

2.2 模拟结果分析

无支护条件下，巷道水平位移变形破坏特征如图2（a）所示，巷道垂直位移变形破坏特征如图2（b）所示，巷道围岩塑性区变形破坏特征如图2（c）所示。

图2 无支护条件时巷道破坏特征

根据图2（a）可知，无支护条件下，巷道帮部水平位移明显，左右两帮水平位移变化呈现出明显的非对称性，左帮最大水平位移大于右帮最大水平位移。巷道左帮的水平位移主要集中在距底板上方2 m 范围内，最大位移达到了53 cm，当左帮巷道高于2 m 后，巷道水平位移明显降低，变形量在10 cm 以下。巷道右帮的水平位移主要集中在距底板2～2.8 m 的范围，最大水平位移达到了42 cm。在巷道右帮高度为0～2 m 范围内，帮部未发生明显水平变形，水平位移值在10 cm 以内。

根据图2（b）可知，巷道的垂直位移以顶板下沉为主，未发生明显底鼓现象。巷道的垂直位移变形呈现出明显的非对称性，巷道右侧垂直位移大于左侧。巷道的最大垂直位移出现在顶板右上角，最大下沉量为45 cm；巷道左侧最大垂直位移出现在左上角，最大下沉量为15 cm；巷道底板变形小，且变形分布较为均匀，变形值为8 cm。

根据图2（c）可知，巷道塑性区分布呈现出非对称的特性。巷道左帮塑性区范围最大，破坏形式为剪切破坏和拉伸破坏，破坏深度达到2.5 m；顶板和右帮的塑性区范围次之，破坏形式为剪切破坏，破坏深度为1.5 m；底板的稳定性最好，其破坏范围也最小，破坏形式包括剪切破坏和拉伸破坏，底板最大破坏范围为0.5 m。

对图2（a）、（b）、（c）综合分析可知，巷道的变形破坏主要发生在巷道左帮的中下部及右上角位置，因此进行支护参数设计时应将其作为支护重点区域。

3 支护方案优化设计

3105 工作面回采巷道原设计巷道顶锚杆使用Ф22 mm×2400 mm 左旋高强螺纹钢锚杆，巷道帮锚杆选用Ф20 mm×2000 mm右旋等强螺纹钢锚杆。顶锚杆使用配套托盘，压W 型钢带；两帮使用配套托盘，压W 型钢带贴紧煤岩壁；锚索采用Ф17.8 mm×5500 mm 七股钢绞线锚索。

3.1 方案优化设计

以井下实际支护参数及巷道变形情况为基础，在现有支护方案基础上，调整锚杆、锚索间排距，提出三种新的支护方案，见表2。使用FLAC3D软件模拟不同支护方案下巷道变形破坏规律。

表2 支护方案设计

3.2 模拟结果分析

3.2.1 位移分析

将模拟结果文件导入至Tecplot 软件，对模拟结果进行处理分析，分别提取现有支护方案及三种优化方案巷道截面垂直位移，然后将位移数据导入Excel 软件，绘制不同支护参数条件下巷道垂直位移对比如图3（a）所示。根据图3（a）可知，巷道的垂直位移以顶板下沉为主，未发生明显底鼓现象。在距巷道上方3.2 m 的范围内，巷道出现离层，与巷道上方距离超过3.2 m 后，巷道离层现象消失，支护方式对巷道顶板离层范围影响较小。支护方式对顶板下沉量影响较大，对底鼓影响较小，底板最大底鼓量在3 cm 左右。四种支护方式中，方案一顶板下沉量最大，方案二顶板下沉量最小。顶板下沉量由大至小分别为方案一＞方案三＞现有支护＞方案二，所对应的最大下沉量分别为29.3 cm、27.6 cm、27 cm 和23.5 cm。四种支护条件下，方案二支护效果最好。

图3 不同支护参数下巷道位移对比

对比现有方案及方案一可知，增加支护密度可降低巷道顶板下沉量，但顶板下沉量减少幅度并不大，只减少了1.7 cm，减少幅度为5.8%。对比方案二和方案三可知，当支护参数相同时，对巷道进行注浆，可明显降低巷道顶板下沉量，顶板下沉量减少了4.1 cm，减少幅度为14.9%，提升围岩稳定性。

使用同样的操作方法，在Tecplot 软件中分别提取现有支护方案及三种优化后支护方案的巷道截面水平位移，然后将结果导入至Excel 软件，绘制不同支护参数下巷道水平位移对比如图3（b）所示。根据图3（b）可知，巷道帮部1 m 范围内水平位移较为明显，之后巷道水平位移变化趋于平稳。支护方式对巷道水平帮部位移影响较为明显，巷道左帮位移略大于右帮，水平位移由大至小依次为方案一＞现有支护＞方案三＞方案二。其中左帮最大水平位移由大至小依次为22.1 cm、21.2 cm、17.5 cm和9.8 cm，右帮最大水平位移由大至小依次为25.8 cm、24.0 cm、21.1 cm 和14.6 cm。四种支护方案下，方案二支护效果最好。

对比现有方案及方案一可知，增加支护密度可降低巷道帮部水平位移，但帮部水平位移减少幅度并不大，左帮变形只减少了0.9 cm，右帮变形只减少了1.8 cm。对比现有方案和方案三可知，即使增加锚杆、锚索间排距，但在进行帮部支护时，选择尺寸更长的帮部锚杆，可明显降低巷道帮部变形量，左帮变形量减少了3.7 cm，右帮变形量减少2.9 cm，左帮变形减少17.4%，右帮变形减少12.1%。对比现有方案和方案二可知，当支护参数相同时，对巷道进行注浆，可明显降低巷道帮部变形量，提升围岩稳定性，左帮变形量减少了11.4 cm，右帮变形量减少了9.4 cm，减少幅度分别为53.7%、39.2%。对巷道帮部注浆后，帮部水平位移显著降低。

3.2.2 塑性区分析

不同支护条件下，巷道围岩塑性区对比如图4。

图4 不同支护条件下塑性区分布

根据图4 可知，不同支护参数条件，巷道围岩塑性区破坏分布规律一致，顶板塑性破坏范围最大，两帮塑性破坏范围次之，且左帮破坏范围大于右帮，底板塑性破坏范围最小，说明巷道变形以顶板下沉和帮部位移为主，底板变形破坏较小。支护方式对围岩塑性区的影响主要体现在巷道帮部，对比现有支护、方案一、方案二、方案三四种支护条件下可知，支护参数对巷道顶板塑性范围产生明显影响。四种支护条件下，顶板最大破坏深度均为2 m 左右，但不同支护参数对巷道帮部塑性区范围产生了一定影响。使用方案二进行支护时，左帮最大破坏深度为1.5 m，其余支护方案条件下，左帮最大破坏深度均为2.0 m，最大破坏深度减少了25%。四种支护条件下，巷道右帮最大破坏深度均为1.0 m，但采用方案二进行支护时，巷道右帮破坏范围最小。方案二支护效果最好。

通过对四种支护参数条件下巷道垂直位移、水平位移、塑性区变形破坏模拟结果综合分析可知，使用方案二进行支护，能将巷道变形量控制在理想范围内，巷道围岩稳定性更好，因此确定方案二为3015 工作面回采巷道支护方案。支护设计如图5。

图5 巷道支护设计图（mm）

4 现场应用

根据研究结果，使用优化后的方案支护巷道，并在巷道布置顶板离层仪、帮部位移计，监测巷道顶板及两帮变形情况。

现场监测后发现，巷道变形主要集中在成巷初期，当巷道施工超过90 d 后，巷道变形趋于稳定。在使用未优化前的原方案支护时，巷道顶板最大下沉量为116 mm，两帮最大移近量为160 mm；使用优化支护方案后，顶板最大下沉量为97 mm，两帮最大移近量为140 mm，顶板下沉量减少了19 mm，降低幅度为16.4%，帮部移近量减少了20 mm，降低幅度为12.5%。使用新方案既降低了支护成本，又提高了巷道整体稳定性。