大斷面煤巷采動變形分析與支護控制設計

吳俊杰

（晉能集團王家嶺煤業有限公司， 山西 忻州 036600）

1 工程概況

王家嶺煤礦位于河東煤田南部，呂梁山脈的南麓，井田的煤炭地質儲量為22.87億t，工業儲量為11.44億t，可采煤層儲量7.63億t，主采煤層平均厚度6.2 m，設計生產能力為600萬t/年，是特大型現代化礦井。煤層以亮煤和鏡煤為主，暗煤少許，煤中鏡煤的內生裂隙發育，煤層含1～2層泥質夾矸，厚度0.05～0.15 m。直接頂為平均厚度2 m石灰巖和1.5 m厚泥巖；偽頂為高嶺石泥巖，厚度為0.3 m；直接頂為砂質泥巖平均厚度1.53 m；老頂為軟弱砂巖與泥巖互層，平均厚度2.38 m；底板為平均厚度2.04 m的灰黑色砂質泥巖。采動巷道不同地點的頂板巖性和賦存厚度變化很大，且巷道斷面跨度大，頂板中部拉應力集中，離層破壞范圍大。其中東四正巷是二次復用巷道，長1 846 m，巷道設計為矩形斷面。以東四正巷為研究對象，對其不同支護方式下煤巷非對稱變形破壞特征進行了分析，確定了非對稱支護方案，效果理想[1-2]。

2 巷道非對稱變形破壞的分析

2.1 非對稱變形破壞特征

1）以底臌為主的非對稱變形特征。東四正巷底板主要以泥巖和砂質泥巖為主，其中含有大量的膨脹性礦物，且局部有淋水現象，在水和外力作用下，底板巖石易發生砂化、泥化，甚至崩裂現象，從而導致巖體強度的減弱甚至失去承載力，發生底臌現象[3]。

2）頂底板變形的非對稱性特征。王家嶺煤礦煤質松軟，頂板為多層泥巖組成的復合頂板，并且層理裂隙發育，分層厚度 0.1～0.3～0.5 m，裂隙間距0.1～0.5 m節理裂隙發育，易產生離層破壞和垮落。巷道斷面跨度大，頂板中部拉應力集中，離層破壞范圍大。

3）幫部鼓出，嚴重部位出現折斷現象。采動劇烈影響下東四正巷，除了出現惡性冒頂和嚴重離層下沉外，煤幫出現向巷道內整體大內移、垮幫現象，煤幫局部位移量達1～2 m。

2.2 破壞原因

圍巖巖性。地下巖體為一復雜的非連續地質體，組成成分不同，力學參數差別也非常大。

支護方式。東四正巷周邊巖層結構為非對稱，應力分布表現為非對稱性。在該條件下，傳統對稱支護形式支護強度低、支架受力不均勻，無法有效控制巷道的變形[4-5]。

地應力。地應力作為工程巖體賦存環境，其量級、方向以及空間分布規律直接影響圍巖的力學屬性、應力的分布和演化規律、變形特征和破壞機制。

3 巷道非對稱支護優化模擬與結果

3.1 模型的建立

根據王家嶺煤礦工程實際，運用FLAC3D數值軟件建立計算模型，模型尺寸：長×寬×高=316.5 m×160 m×45 m，約束水平位移，底部為固定邊界，約束水平位移和垂直位移，上覆巖層的重力按均布荷載施加在模型的上部邊界，東四正巷順槽平均埋深560 m，施加荷載13.72 MPa，模型中各巖層和煤體的力學參數設置見表1。

表1 計算模型中巖層和煤體的力學參數

3.2 模擬結果的分析

模擬計算可以得到非對稱形式支護結構的syy云圖和圍巖塑性區分布情況，水平橫向應力的最大值為2.22 N/m2，雖有一定應力集中現象，但分布情況明顯轉好；syy方向的應力等值線圖分析的水平縱向應力的最大值為1.79 N/m2，通過szz方向的應力云圖可以看出其最大值為2.18 N/m2，底部的應力集中現象及范圍顯著減小，朝中部靠近，非對稱應力變形特點有了顯著改善，呈現出較為對稱的應力分布狀態。在巷道變形，幫部最大位移值為131 mm，頂板最大下沉值120 mm，底臌最大值為53 mm，在非對稱支護條件下巷道的位移特點和底臌現象顯著減小，圍巖塑性破壞范圍得到了有效控制，非對稱變形特征在對稱支護條件下得到了顯著改善。

4 工程實踐分析

4.1 支護方式與設計參數

根據數值模擬的結果，可以認為在非對稱支護條件下巷道圍巖的變形破壞特征得到有效改善，應力載荷分布特征呈現出較均勻化現象，控制效果較為明顯。優化后的非對稱支護方案如圖1所示。

圖1 非對稱支護方案布置圖（單位：mm）

與原對稱支護設計方案相比，非對稱支護方案有以下幾點改進：

1）頂板。將錨索改為Φ15.24 mm×8 500 mm，并于靠近左幫頂板處增設單體錨索，增加鋼絞線抗拉強度到1 720 MPa，加強巷道頂板的支護，控制巷道頂板下沉量。

2）兩幫。左幫支護密度改為6根，錨桿支護長度改為2.4 m，并增設單體錨索，將兩幫錨桿種類改為高強度無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，加強巷幫錨桿的支護強度，控制巷道幫部圍巖變形量。

4.2 非對稱支護效果評價

4.2.1 巷道位移監測

采用頂板動態儀和DB-II巷道斷面收斂計進行巷道圍巖表面位移監測，頂板動態儀的目的是連續監測巷道頂底板移近量；DB-II巷道斷面收斂計的目的是監測巷道兩幫圍巖移近量。東四正巷試驗段長度為200 m，巷道圍巖表面位移觀測共安設3個測站。

由圖2可以看出，東四正巷測站從開掘后20天開始收斂速度較大，到30天趨于穩定，該階段兩幫移近量小于160 mm，頂板下沉量小于110 mm。從第50天開始收斂速度加快，到第120天重新趨于穩定，這一階段兩幫移近量小于410 mm，頂板下沉量小于310 mm，分析原因是因為該階段受24503回采工作面采動影響。

圖2 東四正巷圍巖表面位移測站曲線

4.2.2 巷道離層監測

在東四正巷試驗段（長度為200 m）安設KZL-300型巷道頂板離層自動監測報警裝置，總計安設15個頂板位移傳感器及配套的報警器，測站間距為15 m，如圖3所示。

圖3 東四正巷頂板離層測站布置圖

東四正巷試驗段實驗長度為200 m。通過頂板離層的監測結果比較分析可以得出東四正巷試驗段測站1、測站4、測站7、測站11的離層值分別為13.5 mm、15 mm、6 mm和7 mm，頂板離層平均值不超過11 mm，頂板處于穩定狀態。

5 結論

1）通過工程地質條件和工程巖體分析，結合FLAC3D數值模擬軟件對大斷面破碎煤巷的變形破壞過程進行分析，表明該圍巖巷道變形破壞存在顯著的非對稱性。

2）大斷面破碎煤巷非對稱變形破壞原因主要有地應力、支護方式、水理作用，并總結了以頂底板和兩幫為主的非對稱變形破壞特征。

3）由理論分析及數值模擬結果可知，受工程地質環境和采動影響，王家嶺煤礦東四正巷處于高應力環境中，加上支護體與關鍵部位的不耦合作用，巷道易產生大變形破壞。對該巷道進行支護方式的改進后，工業性試驗與礦壓監測表明，巷道圍巖變形量得到了有效控制，頂底板移近量降低了21.4%，兩幫變形量降低了51.3%。