大傾角工作面回采巷道斷面形狀優化

高 彪

(山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590)

大傾角煤層開采中，巷道開挖后，受傾角作用、構造應力、采動應力等作用疊加影響，巷道破損嚴重，頂底及兩幫出現差異性變形。因此，選擇科學合理的斷面形狀，對巷道的穩定及支護起著至關重要的作用。吳青峰[1]采用FLAC3D軟件對老石旦煤礦不同巷道斷面形狀下巷道位移進行對比分析，選出最優巷道斷面。韓現民等[2]通過數值模擬和現場工程對比，對三種斷面形式下隧道的支護受力和圍巖變形特征進行對比分析，結果表明，似圓形斷面可以有效地控制圍巖的變形量。馮偉等[3]對西銘礦48710工作面矩形巷道變形大、難以維護等問題，采用UDEC對矩形、圓形、直墻半圓拱形巷道進行分析，最終得出直墻半圓拱為最適合斷面。李桂臣[4]對不同側壓系數對高地應力條件下不同巷道斷面影響，并提出了支護相關理念。

由于不同礦井地質條件存在差異，本文以山東陽城煤礦大傾角3308工作面為工程背景，對陽城煤礦3308工作面巷道的斷面進行優化設計，采用FLAC3D對矩形和直墻微拱形斷面進行數值模擬研究，分析得出合理斷面形狀，并提出對應支護建議，為類似大傾角條件下工作面巷道斷面選取及支護供借鑒。

1 地質概況

陽城煤礦3308工作面軌道巷位于三采區深部軌道下山東北，3306工作面下方，煤層為沉積較穩定的厚煤層，平均煤厚7.5 m，傾角為28°，平均埋深為900 m，直接頂為粉砂巖，厚3.76 m。直接底板為粉砂巖和泥巖，厚1.61 m，泥質膠結，較松軟。工作面采用綜合機械化放頂煤開采，自然垮落法處理采空區，工作面布置如圖1所示。

2 不同巷道斷面設計

由于煤層傾角較大，煤層頂板上覆巖層的重力可以分解為沿傾斜層面的力和垂直于層面的力，隨著傾角的增加，沿煤層方向上的剪切作用力就越大，使巷道兩幫圍巖應力產生不同的變化[5]，相鄰3306工作面巷道采用矩形巷道，圍巖受力不均勻，巷道周圍出現應力集中及兩幫非對稱變形。因此在開挖3308工作面軌道巷時，對巷道斷面進行設計研究，相關方案如下：

方案1：巷道斷面設計為矩形，巷道斷面寬和高分別為4.8 m×3.5 m。

方案2：巷道斷面設計為直墻微拱形，其中巷道底部直墻高2.6 m，直徑為2.4 m，頂部微拱高為0.9 m。

3 斷面形狀對巷道穩定性影響數值模擬

3.1 模型建立

根據陽城煤礦三采區地質資料，對地層適當簡化，建立數值計算模型，模型尺寸為340 m(長度)×240 m(寬度)×115 m(高度)，工作面長150 m，傾角為28°，為消除邊界效應，工作面左、右兩側分別留有60 m的煤柱。模型四周及底部進行位移約束。模型上部施加垂直應力20 MPa，模型中各煤巖層采用莫爾-庫倫本構模型，共劃分531 443個單元，156 265個節點，煤巖層物理力學參數見表1，建立數值模型如圖2所示。

表1 巖石力學參數

圖2 數值模型圖

3.2 模擬方案

模擬主要是分析研究兩個不同斷面下巷道應力分布特征、位移移進量及塑性區變化，因此，在模擬過程中，巷道不進行支護，巷道相關參數按照第2節所述。

3.3 不同斷面形狀模擬結果分析

3.3.1 不同斷面形狀下巷道應力分布特征

為探究不同巷道斷面應力分布特征，在FLAC3D中提取垂直應力數據到Tecplot，如圖3所示，在煤柱和巷道頂板布置應力測線，對應力進行監測，如圖4所示。

圖3 不同斷面垂直應力分布圖

圖4 煤柱內和巷道頂板垂直應力分布圖

由圖3～4可知，垂直應力分布具有以下特點：

1) 在煤柱寬度相同時，煤柱內垂直應力分布均為梯形，直墻微拱形斷面巷道煤柱側內部平穩區域較矩形巷道范圍大，其中矩形斷面巷道煤柱內垂直應力峰值為22.3 MPa，直墻微拱形斷面巷道煤柱內垂直應力峰值為24 MPa，應力峰值增加7%，表明微拱形斷面巷道煤柱對上覆巖層承載能力更強。

2) 在距離采空區煤壁4 m后，矩形斷面巷道煤柱內垂直應力下降幅度較直墻微拱形巷道大，且矩形斷面巷道左幫煤壁垂直應力明顯小于直墻微拱形，表明矩形斷面巷道左幫更易被破損失穩。

3) 直墻微拱形斷面巷道相較于矩形斷面巷道，由于微拱的存在，可以減緩來自沿傾斜方向和垂直方向上的作用力，頂板淺部圍巖應力值較高，穩定性強，矩形巷道則直接受力，淺部圍巖應力值較低，承載能力較弱。因此，在受相同作用力下，直墻微拱形巷道承載能力更強。從應力方面，認為最合理巷道斷面形狀為直墻微拱形。

3.3.2 不同斷面巷道圍巖位移變化特征

為比較不同斷面下圍巖位移變化量，在矩形和直墻微拱形巷道頂底及兩幫布置測點，對巷道圍巖移進量進行監測，數據如表2所示。

表2 不同斷面巷道圍巖變形量

圖5 不同巷道斷面圍巖移進量圖

由表可得，直墻微拱形巷道圍巖頂板移進量為125 mm，矩形移進量為143 mm，直墻微拱形巷道位移量比矩形減少12.8%，二者底板底鼓量相差不大，均為27 mm左右，直墻微拱形巷道左右幫部移進量比矩形減少31.7%和17.8%，其中，左幫巷道移進量改善最為明顯。

矩形斷面巷道初始面積為16.8 m2，變形后為15.6 m2，巷道降幅為7.14%，直墻微拱形斷面巷道初始面積為15.18 m2，變形后為14.22 m2，巷道降幅為6.32%，矩形斷面巷道降幅大，表明巷道整體變形嚴重，可利用率低。各項數據可得，直墻微拱形斷面在控制巷道變形量方面較矩形斷面更優。

3.3.3 不同斷面形狀下塑性區分布特征

不同斷面形狀下巷道圍巖及煤柱塑性區分布特征如圖6所示。

由圖6可知，巷道開挖后，兩種斷面形狀下煤柱內塑性區范圍相差不大，主要區別在斷面巷道周圍塑性區，矩形斷面巷道較直墻微拱形斷面巷道塑性區擴展范圍較大，矩形斷面巷道頂底板塑性區范圍大，右幫塑性區在傾斜方向上擴展范圍較廣，直墻微拱形斷面頂板及右幫塑性區改善明顯，范圍均有減小。因此在塑性區角度分析直墻微拱形斷面巷道更適合。

圖6 不同斷面形狀巷道塑性區分布圖

通過對不同斷面形狀下巷道圍巖應力、位移、塑性區進行研究分析可得，直墻微拱形斷面和矩形斷面相比，直墻微拱形斷面幫部和頂板較矩形巷道抵御破壞能力更強，使得巷道破壞范圍減小。在巷道圍巖移進量來看，直墻微拱形巷道總體位移量小，煤柱側巷道位移減少量最為明顯。直墻微拱形斷面巷道塑性區較矩形斷面巷道塑性區范圍縮小。因此，最優斷面形狀為直墻微拱形。

4 支護建議及方案

根據數值模擬結果可得，即使采用直墻微拱形巷道圍巖也呈現非對稱變形特征，應針對性進行支護，提出“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網”的非對稱性支護方案，在該支護方案中，非對稱主要體現為：一是兩幫錨桿錨索布置有差異，目的是有針對性的加強巷道支護強度；另一個是采用錨索將巷道圍巖錨固于頂板穩定巖層內，減少在傾斜方向上的滑移，從而加強巷道整體穩定性。圖7為提出的支護方案示意圖。

5 結 語

本文以3308工作面為工程背景，設計不同斷面形狀，對應力分布、圍巖變形量及塑性區進行研究，最終得出：

1) 直墻微拱形斷面由于頂部為拱形，可以減緩來自沿傾斜方向和垂直方向上的力，幫部和頂部破壞減少，因此承載能力比矩形斷面更強。

2) 直墻微拱形斷面巷道圍巖位移以及變形后巷道降幅比矩形小，表明微拱形位移控制方面更優，直墻微拱形斷面巷道頂板及右幫塑性區范圍小。綜合得出直墻微拱形斷面為3308工作面回采巷道的最優斷面。

3) 根據數值模擬得出的巷道圍巖的變形特征，提出“非對稱”建議支護方案。

圖7 建議支護方案示意(mm)