倾斜厚煤层异形巷道围岩变形特征及非对称支护技术研究

杨龙龙，陈凯铭，鞠志勇

（国家能源集团神东煤炭集团乌兰木伦煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017200）

0 引 言

我国煤炭资源储量丰富，其倾斜煤层储量占国内总储量的36%[1-2]。但是由于倾角较大，倾斜煤层开采过程中围岩稳定性控制及巷道支护尤为困难[3-4]。倾斜煤岩体的赋存结构导致巷道无法按照规则断面进行布置，进而出现异形巷道的高低帮非对称承载结构[5-6]。此外，倾斜覆岩会对巷道产生水平应力，容易导致巷道两帮滑移，产生剧烈的矿压显现[7-8]。因此，需要开展倾斜煤层异形巷道围岩控制研究。

不少学者对倾斜煤层巷道围岩控制进行了广泛的研究。刘伟韬等[9]利用理论分析和数值模拟，分析了倾斜煤层巷道底板应力分布规律和破坏范围；孙希亮[10]研究了不同倾角下巷道的围岩应力状态和破坏特征，确定了不同煤层倾角的支护方案；常立等[11]分析了倾斜煤层巷道围岩的破坏形态及叠加采动应力影响下巷道主应力差值的变化特征；魏世荣等[12]研究了多煤层开采时开采厚度、开采方法及工作面跨度等因素对上覆岩层破坏高度的影响；何清波等[13]开展了倾斜煤层覆岩位移与顶板应力的变化规律研究，得到了倾斜厚煤层采动裂隙演化特征；原亚鹏等[14]通过数值模拟方法，分析了倾斜煤层工作面异形巷道不同支护方案下围岩位移演化规律；林文明等[15]采用物理实验的方法，研究了倾斜煤层两帮应力随煤厚变化的关系。

本文针对倾斜厚煤层中异形巷道围岩变形量大、矿压显现显著的问题，以乌兰木伦煤矿工作面为技术背景，通过将工作面运巷和风巷的异形巷道进行区域划分，分析了不同区域内异形巷道应力场演化特征及变形规律，针对异形巷道围岩应力分布非均匀特点，提出以补强锚索和大直径钻孔卸压为基础的“高补低卸”异形断面非对称支护技术，并进行现场应用，围岩控制效果显著，为类似条件下的倾斜厚煤层异形巷道围岩控制提供了指导参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

国家能源集团神东煤炭集团乌兰木伦煤矿52604 工作面位于−590 m 水平，其东北侧为52602 采面，该采面超前52604 工作面距离不小于320 m，且与52604 工作面留有30 m 隔离煤柱。52604 工作面沿东北方向走向推进，工作面长度394 m，煤层厚度3.8 m，煤层倾角38°，属于倾斜煤层。52604 工作面运巷和风巷都采用异形断面布置，异形巷道低帮高度为3 m，高帮高度为5 m，巷道宽度5 m。为了研究倾斜厚煤层异形巷道围岩应力场演化特性及变形特征，将异形巷道划分为三个区域。①运巷回采区：以52604 工作面运输巷为主体，低帮为52604 工作面回采实体煤，高帮为52602 工作面与52604 工作面保护煤柱，其倾向方向远场区域为52604 工作面采空区；②运巷超前区：以52604 工作面运输巷为主体，低帮为52604 工作面回采实体煤，高帮为52602 工作面与52604 工作面保护煤柱，其倾向方向远场区域为52604 工作面实体煤；③风巷超前区：以52604 工作面回风巷为主体，低帮为实体煤，高帮为52604 工作面实体煤。如图1 所示。

图1 异形巷道区域划分图Fig.1 Zone division of irregular roadway

1.2 围岩变形特征

对52604 回采工作面超前75 m 处的运巷回采区内异形巷道断面进行监测，结果如图2 所示。由图2可知，运巷回采区内异形巷道变形严重。由图2（a）可知，在支承应力作用下，异形巷道低帮处煤岩体被挤压，最大鼓出量为243 mm，位于底板以上1.3 m 处；由图2（b）可知，异形巷道高帮在距底板4.2 m 以下的煤岩体受到顶底板挤压，发生鼓出现象，其最大鼓出量为532 mm，而在4.2 m 以上的煤岩体受到水平应力作用出现明显滑移脱落现象，最大滑移深度为400 mm；由图2（c）可知，异形巷道底板出现明显底鼓，最大底鼓处位于距低帮1.4 m 处，最大底鼓量为682 mm，且底板位移曲线呈现明显非对称形态，表明异形巷道低帮附近底板的支承应力大于高帮附近底板支承应力；由图2（d）可知，异形巷道顶板出现明显下沉，最大下沉处位于距低帮3.2 m 处，最大下沉量为431 mm，且顶板下沉曲线呈现明显非对称形态，表明异形巷道高帮附近顶板的支承应力大于低帮附近顶板支承应力。

图2 异形巷道变形特征Fig.2 Deformation characteristics of irregular roadway

1.3 巷道破坏类型

图3 给出52604 工作面运巷回采区域异形巷道矿压显现特征。异形巷道围岩变形特征主要有两帮向巷道断面内的侧向收缩、顶板剧烈下沉和强烈的底鼓。巷道的矿压显现主要表现为明显的巷道底鼓、高帮煤体侧向滑移、顶帮锚杆（索）失效以及断面明显收缩等。由图3 可知，异形巷道高低帮矿压现象特征差异较大，这是因为在倾斜煤层回采期间，上覆岩层对煤岩体产生水平应力，其中，高帮鼓包现象尤为严重，表明工作面回采期间，支承应力导致高帮煤柱强度弱化；此外，低帮锚杆失效较为明显，表明工作面回采期间，工作面实体煤应力较大；同时，顶板兜网和底板凸起表明工作面回采期间，顶底板支承应力较大，应力集中系数高。因此，需要针对异形巷道不同破坏特征采用不同方法进行围岩控制。

图3 异形巷道矿压显现特征Fig.3 Characteristics of rock pressure in irregular roadway

2 异形巷道围岩应力-变形模拟研究

2.1 数值模型构建及参数

为了研究倾斜厚煤层异形巷道围岩应力场演化特性及变形特征，以乌兰木伦煤矿52604 工作面为工程背景，工作面直接顶为4.2 m 中粒砂岩，基本顶为8.2 m 细粒砂岩，直接底为3.5 m 粗砂岩，基本底为4.5 m 砂质泥岩。其力学参数见表1。

表1 煤岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

建立300 m×300 m×200 m 数值模型，共105 984个单元和110 349 个节点，如图4 所示。为了消除边界影响，工作面走向距离模型边界不小于70 m，工作面倾向各留出80 m 边界煤柱。同时，固定模型前后、左右及下部边界，上部边界施加上覆岩层重量换算的垂直应力25.6 MPa。模型整体采用摩尔-库伦本构关系。为了模拟工作面回采过程，每步沿煤层走向开挖10 m，共计开挖20 步，回采工作面共计向前推进200 m。

图4 数值模型构建Fig.4 Numerical model

2.2 异形巷道围岩应力场演化特征

图5～图7 给出52604 工作面回采区间异形巷道应力场演化特征。由图5 可知，运巷回采区内异形巷道低帮应力明显高于高帮应力，其中在巷道低帮26 m 实体煤处形成明显应力集中，最大应力为74.1 MPa，而高帮应力峰值位于高帮8.4 m 处，最大应力值为25.9 MPa，高帮与低帮最大应力值差为48.2 MPa；由图6 可知，运巷超前区内异形巷道分布较为均匀，其中低帮最大应力出现在围岩12.5 m 处，最大应力值为62.9 MPa，而在高帮最大应力出现在围岩14.9 m 处，最大应力值为59.4 MPa，高帮与低帮最大应力值差为3.5 MPa；由图7 可知，风巷超前区内异形巷道高帮围岩应力集中现象较低帮应力集中现象更为明显，其中，高帮最大应力出现在围岩16.9 m 处，最大应力值为64.3 MPa，低帮最大应力出现在围岩14.1 m 处，最大应力值为53.7 MPa，高帮与低帮最大应力值差为10.6 MPa。综合图5～图7 可知，倾斜厚煤层运巷回采区异形巷道应力场分布最为复杂，因此，针对倾斜厚煤层运巷回采区异形巷道应力场分布特征及变形规律进行重点研究。

图5 运巷回采区应力场分布云图Fig.5 Stress field distribution in transport roadway of working area

图6 运巷超前区应力场分布云图Fig.6 Stress field distribution in transport roadway of advanced area

图7 风巷超前区应力场分布云图Fig.7 Stress field distribution in ventilate roadway of advanced area

2.3 异形巷道侧向应力分布规律

根据数值模型分析，考虑到运巷回采区异形巷道应力场分布复杂程度最高，因此，利用数值软件二次开发功能，提取运巷回采区异形巷道应力值分析异形巷道侧向应力分布特征。图8 给出距回采工作面不同距离运巷回采区异形巷道上覆岩层侧向应力分布规律。由图8 可知，异形巷道围岩应力分布呈现明显非对称状态，其中巷道正上方顶板总体呈现应力释放状态，仅在巷内距高帮800 mm 范围内出现应力增强现象，其最大垂直应力为42.7 MPa；在巷道低帮应力随着离巷道距离的增加呈现增大的趋势，且应力值随着超前距离的增加而减小；在巷道高帮应力随着离巷道距离的增加出现明显减小趋势，表现出明显的卸载特征。

图8 异形巷道侧向应力分布规律Fig.8 Lateral stress distribution of irregular roadway

2.4 异形巷道变形特征

利用后处理软件提取运巷回采区、运巷超前区和风巷超前区三个区域内的异形巷道变形量，如图9所示。由图9 可知，在三个区域中，运巷回采区异形巷道变形量最大，运巷超前区异形巷道变形量次之，风巷超前区异形巷道变形量最小，但是三个区域内的异形巷道顶板和高帮围岩变形量均大于底板围岩变形量及低帮围岩变形量，其中，运巷回采区内异形巷道高帮和顶板的围岩变形量分别为513 mm 和487 mm，明显高于底板围岩变形量416 mm 和低帮围岩变形量224 mm，因此，倾斜厚煤层异形巷道的高帮和顶板是围岩控制的重点区域，同时运巷回采区内异形巷道的高帮和顶板控制尤为关键。

图9 不同区域内异形巷道变形规律Fig.9 Deformation law of irregular roadway in different regions

3 异形巷道围岩变形非对称控制技术

针对52604 工作面应力场呈现明显非对称状态，在原单一依靠锚杆支护的基础上，提出“高补低卸”的异形断面非对称支护技术。其技术原理主要分为两部分：一方面针对回采过程中支承应力对高帮煤柱造成的弱化引起的滑移垮落区域，采用锚索进行补强支护，从而对煤体进行加固，使煤体能够给顶板提供有效支撑；另一方面在异形巷道低帮采用大直径钻孔卸压，将低帮煤体内支承应力向围岩深部转移，减小巷道低帮围岩内的应力集中，降低低帮煤岩体所承载的应力，从而实现对低帮围岩的有效控制。图10 给出52604 工作面异形巷道非对称支护图。具体支护方案为：第一，异形巷道顶板、高帮和低帮主体支护为长度2 800 mm、直径22 mm 的螺纹钢锚杆，间 排 距为750 mm×750 mm ， 锚 杆 搭 配500 mm×500 mm 正方形网格金属网片及直径18 mm 钢筋焊接托梁进行支护；第二，针对异形巷道顶板，以巷中线为基准左右1 000 mm 处均布置长度6 800 mm、直径18 mm 的锚索进行补强支护，锚索排距为2 250 mm，沿着巷道走向布置W 型钢带配合锚索支护；第三，对于异形巷道高帮，以底板以上3.5 m 处按照60°倾角向上施工长度6 800 mm、直径18 mm 补强锚索对高帮煤体，锚索排距为2 250 mm，同时沿着巷道走向布置W 型钢带配合锚索支护；第四，在异形巷道低帮底板以上1.5 m 处按照35°倾角和0°走向角向下施工长度15 m、直径150 mm 卸压钻孔，卸压钻孔走向间距为1.8 m；第五，在异形巷道底板以巷中线左右1.5 m 处按照外斜30°倾角和0°走向角向下施工长度15 m 直径150 mm 卸压钻孔，卸压钻孔走向间距为1.8 m。

图10 异形巷道“高补低卸”支护图Fig.10 Support diagram of irregular roadway with reinforce anchor cables and large diameter drilling pressure relief

3.1 巷道变形监测

为了评估“高补低卸”的异形断面非对称支护技术应用效果，在52604 工作面运巷回采区异形巷道60 m、80 m 和100 m 处分别设置巷道变形监测点，监测结果如图11 所示。由图11 可知，回采初期，异形巷道变形量总体较小，当工作面推进至15～20 m 时，异形巷道变形量出现明显增加。随着工作面持续推进，异形巷道变形量均逐渐增加，其中，异形巷道底板变形最为明显，其次为巷道低帮，再次为巷道高帮，最后是巷道顶板。当工作面推进至100 m时，巷道底板、顶板、低帮和高帮均达到最大值，分别为294.1 mm、109.6 mm、213.9 mm 和188.1 mm。但是相较于原支护方案，巷道变形量明显减小。

图11 异形巷道变形监测图Fig.11 Deformation monitoring map of irregular roadway

3.2 顶板离层监测

在52604 工作面运巷回采区超前工作面15 m、30 m、45 m、60 m 和75 m 处布置深浅离层监测点，同时监测75 m 处布置的监测点60 d 内异形巷道顶板离层情况，如图12 所示。由图12 可知，测点距离工作面越远，异形巷道顶板离层量越小，其中工作面超前15 m 处异形巷道顶板离层最为严重，深浅基点离层量分别为8.36 mm 和13.06 mm，而工作面超前75 m处异形巷道顶板离层量最小，深浅基点离层量分别为1.21 mm 和1.17 mm。此外，就75 m 处顶板离层监测情况可知，随着时间增加，异形巷道顶板离层量逐渐增加，但深浅基点离层量仅26.84 mm 和17.85 mm。因此，“高补低卸”的异形断面非对称支护技术应用效果显著。

图12 异形巷道顶板离层监测Fig.12 Monitoring of roof separation in irregular roadway

4 结 论

1）通过对巷道变形量及破坏特征分析，将工作面异形巷道变形量工作面运巷和风巷进行区域划分，发现顶板下沉曲线呈现明显非对称形态，高帮附近顶板的支承应力大于低帮附近顶板支承应力，此外，异形巷道变形机理存在明显差异性，即高帮鼓包主要是因为支承应力导致高帮煤柱强度弱化，而低帮和底板的矿压显现特征主要是由于支承应力较大，应力集中系数高。

2）利用数值模拟方法，分析三个分区的异形巷道应力场分布规律，发现运巷回采区应力场分布最为复杂，表现出非对称状态，即顶板处于应力释放状态；低帮应力集中程度随距离增加而增加；高帮应则表现出明显卸载特征。

3）针对工作面异形巷道围岩变形机理不同，提出以补强锚索和大直径钻孔卸压为基础的“高补低卸”异形断面非对称支护技术，即在巷道高帮及顶板处采用长锚索进行补强支护，加固煤岩体，而对应力较为集中的底板和低帮采用大直径钻孔进行卸压，将应力向远场转移。

4）以乌兰木伦煤矿52604 工作面为工程背景，开展倾斜厚煤层“高补低卸”的异形断面非对称支护关键参数设计，并进行现场应用，围岩变形量得到有效控制，方案效果显著。