補(bǔ)連塔礦回采巷道破壞特征與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

唐青豹，楊 剛，張 琪，喬博陽

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵問題是煤炭開采過程中出現(xiàn)的巷道圍巖變形破壞問題[1]。對(duì)于巷道圍巖變形破壞問題，我國許多專家學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算、相似模擬實(shí)驗(yàn)等多種方法和手段開展了系統(tǒng)的研究[2-9]。針對(duì)巷道圍巖受采動(dòng)影響破壞問題，牛雙建等[10]采用相似材料模擬方法對(duì)深井巷道無支護(hù)的巷道松動(dòng)圈內(nèi)外圍巖主應(yīng)力差的演化規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)圍巖破壞機(jī)制進(jìn)行了探討；趙志強(qiáng)等[11]，根據(jù)巷道圍巖蝶形塑性區(qū)理論，分析了回采巷道采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的非均勻演化規(guī)律及其作用下的塑性區(qū)形態(tài)特征；李元鑫等[12]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了在不同方向的主應(yīng)力作用下，直墻拱形隧道的圍巖損傷破壞規(guī)律；李永恩等[13]針對(duì)紅慶梁礦雙巷布置采動(dòng)影響下圍巖失穩(wěn)問題，通過數(shù)值模擬對(duì)采動(dòng)影響下主應(yīng)力差值分布特征及巷道圍巖塑性區(qū)特征進(jìn)行了研究;余偉健等[14]針對(duì)巷道圍巖破壞機(jī)理及其控制，通過理論推導(dǎo)得出圍巖偏應(yīng)力場(chǎng)的解析解，對(duì)偏應(yīng)力場(chǎng)下巷道圍巖破壞問題提出相應(yīng)的控制原則與關(guān)鍵技術(shù)；何富連[15]等為解決厚煤層大斷面切眼支護(hù)難題，通過對(duì)巷道圍巖主應(yīng)力分析得出了巷道圍巖主應(yīng)力分布規(guī)律，提出高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨帶網(wǎng)和雙桁架錨索聯(lián)合控制技術(shù)。

在目前對(duì)于巷道圍巖破壞的研究中，多數(shù)集中于應(yīng)力分布演化規(guī)律研究，為此對(duì)于補(bǔ)連塔回采巷道片幫問題，采用現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及數(shù)值模擬方法，通過分析采動(dòng)影響下主應(yīng)力大小及方向偏轉(zhuǎn)問題來分析巷道圍巖破壞特征，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程背景

補(bǔ)連塔煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，是神華集團(tuán)神東分公司煤礦之一。礦井為平硐-斜井開拓，礦井的實(shí)際生產(chǎn)能力可達(dá)到8.0 Mt/a。井田含煤地層為中、下侏羅統(tǒng)延安組，共含 1#、2#、3#、4#、5#5個(gè)煤組，其中2-2煤層為主要可采煤層之一，位于延安組中巖段的頂部，該煤層全區(qū)發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單，僅在底部（局部頂部）含有1～2層矸，煤層厚5.91～7.89 m，平均6.75 m，距其下部4#煤層30 m左右。2-2煤層厚度大，變化小，屬穩(wěn)定煤層。

2-2煤層工作面采用雙巷布置，其中22303工作面寬300 m，推進(jìn)長度5 220 m，22303工作面毗鄰22302工作面，在22302工作面推進(jìn)完成后進(jìn)行回采。22303回風(fēng)巷道為主要研究巷道，巷道斷面形狀為矩形，寬5.4 m，高3.6 m；巷道直接頂為煤層，厚度約3.4 m，直接底為泥巖，厚度約0.85 m。

22303回采巷道由于受22302工作面回采時(shí)一次采動(dòng)影響及22303工作面回采時(shí)二次采動(dòng)影響，共受2次采動(dòng)影響。受2次采動(dòng)影響后，巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致巷道圍巖兩幫片幫嚴(yán)重，頂?shù)装遄冃屋^小。22303回采巷道進(jìn)行的表面位移觀測(cè)結(jié)果顯示：巷道片幫嚴(yán)重，其中該巷標(biāo)志1 550 m處煤柱幫片幫較嚴(yán)重，片落厚度約為30~70 cm；煤壁幫中間鼓出，鼓出量不大，頂板略有下沉，約5 cm左右，底板較完整。

2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)探測(cè)

為了掌握22303回風(fēng)巷道圍巖破壞情況，對(duì)22303回風(fēng)巷道進(jìn)行頂板窺視、松動(dòng)圈測(cè)試以及取巖心實(shí)驗(yàn)。

2.1 巷道頂板窺視

巷道頂板窺視結(jié)果顯示，頂煤較厚，厚度在2.02~3.77 m之間。除69聯(lián)巷處細(xì)粒砂巖中夾有1層1.04 m厚的砂質(zhì)泥巖，其他測(cè)點(diǎn)頂煤上方均為細(xì)粒砂巖，巷道頂板巖性單一無變化，頂板巖層結(jié)合較為簡單，且聯(lián)巷頂板裂隙較少。

2.2 巖心實(shí)驗(yàn)

為了了解22303回風(fēng)巷道頂板巖層分布特征，獲取頂板圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)，在該巷道進(jìn)行取心實(shí)驗(yàn)。

通過取心可知，22303回風(fēng)巷道巖層分布差別變化不大，從下到上依次為頂煤、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖，其中頂煤厚2.2 m。從取心結(jié)果看，頂板上方第9~10 m的采取率最大，為98%；2~4 m、4~6 m和9~12 m巖石采取的完整性較好，頂板巖性力學(xué)參數(shù)強(qiáng)度較高。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)取心巖樣進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得的巖樣的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 補(bǔ)連塔礦巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定表

2.3 松動(dòng)圈測(cè)試

為了詳細(xì)了解22303回風(fēng)巷道受二次采動(dòng)影響時(shí)巷道兩幫圍巖破壞情況，在工作面前方進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得到的松動(dòng)圈測(cè)孔聲波傳播速度圖如圖1。

由圖1（a）煤壁幫測(cè)孔聲波折線圖可知，以距工作面30 m處煤壁幫幫測(cè)孔為例，距離孔口1.2 m左右范圍內(nèi)，測(cè)試聲波波速較小且平穩(wěn)，表明該測(cè)點(diǎn)處距巷道表面0～1.2 m處圍巖破碎嚴(yán)重，圍巖處于塑性狀態(tài)，而距孔口1.2 m之后，波速呈臺(tái)階式急速增長，隨之波速保持平穩(wěn)狀態(tài)，巷道圍巖進(jìn)入彈性狀態(tài)。其他各處測(cè)孔波速呈現(xiàn)相似的規(guī)律。總體來講，距巷道表面距離越小，受采動(dòng)影響越大，圍巖較破碎。

在二次采動(dòng)影響階段，煤壁幫松動(dòng)圈大于煤柱幫，煤壁幫松動(dòng)圈在1.3~1.5 m，平均值1.4 m；煤柱幫松動(dòng)圈在1.1~1.2 m，平均值1.1 m。從測(cè)試結(jié)果可知，在工作面前方50 m的時(shí)候，煤柱幫、煤壁幫松動(dòng)圈達(dá)到最大值，分別為1.5 m與1.2 m。說明在工作面前方50 m的時(shí)候壓力最大，破壞最嚴(yán)重。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，22303回采巷道受二次采動(dòng)影響時(shí)松動(dòng)圈為中松動(dòng)圈和大松動(dòng)圈，該巷道受采動(dòng)影響后巷道兩幫的松動(dòng)范圍隨距離工作面的距離的縮小而逐漸增大，巷道受二次采動(dòng)影響時(shí)在工作面前方50 m處煤柱幫、煤壁幫松動(dòng)圈達(dá)到最大值，分別為1.5 m與1.2 m。

3 巷道圍巖應(yīng)力與破壞特征

針對(duì)22303回采巷道受采動(dòng)影響兩幫變形大問題，通過研究巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)巷道圍巖破壞特征進(jìn)行分析，為巷道圍巖控制提供理論依據(jù)。

3.1 模型的建立

以補(bǔ)連塔2-2煤地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立數(shù)值計(jì)算模型，工作面開采模型設(shè)計(jì)長400 m，寬700 m，高100 m。初始鉛直應(yīng)力為煤層頂板上覆巖層載荷4.37 MPa，水平應(yīng)力參照補(bǔ)連塔礦其他煤層的地應(yīng)力水平，側(cè)壓系數(shù)取1.5。邊界條件：上覆巖層按均勻載荷施加在模型的上部邊界，四周與底部固定位移邊界。受采動(dòng)巷道模型取巷道高度的4~8倍，設(shè)計(jì)模型寬50 m，長0.5 m，高50 m。根據(jù)補(bǔ)連塔礦2-2煤物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦計(jì)算，模型煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2，本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

表2 模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)

模擬方案：模型建好后，共進(jìn)行2次模擬計(jì)算。首先在工作面開挖模型中對(duì)2次采動(dòng)影響進(jìn)行模擬計(jì)算，提取巷道位置主應(yīng)力及主應(yīng)力方向，對(duì)其進(jìn)行分析；其次在巷道開挖模型中對(duì)巷道圍巖受2次采動(dòng)影響進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬計(jì)算時(shí)，對(duì)巷道開挖模型施加一次采動(dòng)影響時(shí)工作面后方最大應(yīng)力值以及二次采動(dòng)影響時(shí)工作面前方應(yīng)力增大區(qū)適當(dāng)應(yīng)力值。

3.2 巷道圍巖主應(yīng)力分析

巷道圍巖主應(yīng)力分布如圖2。由圖2（a）主應(yīng)力曲線可知，巷道受一次采動(dòng)時(shí)，主應(yīng)力在工作面后方220 m處達(dá)最大值，因此，巷道在工作面后方220 m處受一次采動(dòng)影響最大；受工作面二次采動(dòng)影響時(shí)，由于工作面后方巷道隨工作面推進(jìn)垮落，因此，對(duì)工作面前方巷道圍巖破壞進(jìn)行分析，由圖2（b）可知，在工作面前方0～120 m范圍內(nèi)，應(yīng)力處于增大區(qū)。

圖2 巷道圍巖主應(yīng)力分布圖

二次采動(dòng)影響時(shí)工作面前方20 m處主應(yīng)力云圖如圖3，從圖3可知，隨著距采空區(qū)邊緣距離的增加，主應(yīng)力值不斷減小，巷道位置處最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值為1.5，應(yīng)力差值較大。根據(jù)模型中提取到的巷道位置處主應(yīng)力法向量，主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，兩主應(yīng)力方向如圖4。

3.3 巷道圍巖破壞形態(tài)分析

通過以上分析，結(jié)合煤礦實(shí)際情況，在對(duì)巷道開挖模型模擬受采動(dòng)影響計(jì)算時(shí)，在模擬巷道受一次采動(dòng)影響時(shí)，對(duì)巷道圍巖施加22302工作面開挖后工作面后方220 m處主應(yīng)力值及主應(yīng)力方向，模擬巷道受二次采動(dòng)影響時(shí)，對(duì)巷道圍巖施加22303工作面開挖完成后工作面前方20 m處主應(yīng)力值及主應(yīng)力方向。

圖4 主應(yīng)力方向圖

在工作面回采影響下的巷道圍巖破壞特征如圖5，其中圖5（a）為受一次采動(dòng)影響下巷道圍巖破壞形態(tài)，5（b）為受二次采動(dòng)影響下巷道圍巖破壞形態(tài)。從圖中可以看出，工作面受一次采動(dòng)影響時(shí)，巷道圍巖破壞較小，其中巷道頂板破壞范圍較小，僅在巷道靠近煤壁幫位置處破壞深度稍大，最大破壞深度為0.75 m，底板較完整，兩幫最大破壞深度為0.625 m。相比于受一次采動(dòng)影響巷道圍巖破壞，受二次采動(dòng)影響時(shí)，底板較完整，頂板及兩幫破壞范圍增大。其中在巷道中心處，頂板破壞深度達(dá)到最大，為1 m；巷道兩幫破壞范圍較一次采動(dòng)影響時(shí)增加較大，破壞深度達(dá)到1.4 m。

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

4.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

4.1.1 頂板支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

圖5 巷道圍巖破壞形態(tài)圖

優(yōu)化后頂板錨桿采用φ18 mm×2 100 mm A3圓鋼錨桿，間排距為1 100×1 000 mm，錨索采用φ15.24 mm×6 500 mm 錨索，間排距 3 000 mm×2 000 mm。相比于原支護(hù)方案，減少了鋼帶支護(hù)，錨桿由直徑20 mm螺紋鋼錨桿改為直徑18 mm A3圓鋼錨桿，錨桿間距增加200 mm，排距增加100 mm，錨索則由直徑17.8 mm改為15.24 mm，錨索間距增加500 mm，排距增加200 mm。

4.1.2 兩幫支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化后支護(hù)方案中煤壁幫采用φ18 mm×2 100 mm玻璃鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，矩形布置，4根/m，使用塑料網(wǎng)格；煤柱幫錨桿采用18 mm×2 100 mm A3圓鋼錨桿，間排距1 200 mm×1 000 mm，矩形布置，4根/m，使用金屬網(wǎng)格，錨索為φ18 mm×2 100 mm錨索，矩形布置，2根/m。相比于原支護(hù)方案，兩幫各增加1根錨桿。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了對(duì)應(yīng)用優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)的巷道支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，在22303回風(fēng)巷道試驗(yàn)段進(jìn)行深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)，測(cè)站布置在工作面前方75聯(lián)巷、74聯(lián)巷、72聯(lián)巷、71聯(lián)巷處，監(jiān)測(cè)巷道深部位移變化。

通過對(duì)工作面采動(dòng)期間巷道深部位移監(jiān)測(cè)，繪制位移曲線圖（圖6）。在觀測(cè)期間內(nèi)，22303工作面剛開始回采，回采巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯，22303回風(fēng)巷道內(nèi)儀器所測(cè)深基點(diǎn)數(shù)據(jù)變化不大，由圖6中深基點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，巷道頂板離層量變化發(fā)生在工作面前方，當(dāng)工作面推進(jìn)到測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，巷道頂板巖層離層量變化基本趨于穩(wěn)定，且巷道頂板離層量最大為18.5 mm。由深基點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)可知，巷道圍巖破壞范圍在支護(hù)范圍之內(nèi)，優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)可以有效控制巷道圍巖變形，支護(hù)較合理。

圖6 深基點(diǎn)位移曲線

5 結(jié)論

1）由頂板窺視，松動(dòng)圈測(cè)試及取巖心實(shí)驗(yàn)可知，22303回采巷道受二次采動(dòng)影響時(shí)頂?shù)装迤茐妮^小，而巷道兩幫的松動(dòng)圈范圍則隨距離工作面的距離的縮小而逐漸增大，在工作面前方50 m處，煤柱幫、煤壁幫松動(dòng)圈達(dá)到最大值，分別為1.5 m與1.2 m。

2）通過數(shù)值模擬研究，一次采動(dòng)影響時(shí)，主應(yīng)力峰值在工作面后方220 m處；二次采動(dòng)影響時(shí)，工作面前方0～120 m范圍內(nèi)處于應(yīng)力增大區(qū)，且采動(dòng)影響下，主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。受一次、二次采動(dòng)影響時(shí)，巷道圍巖頂?shù)灼茐姆秶^??；受二次采動(dòng)影響時(shí)，巷道兩幫圍巖相比于受一次采動(dòng)影響時(shí)破壞深度由0.625 m增大到1.4 m。

3）優(yōu)化后支護(hù)采用錨桿（索）網(wǎng)支護(hù)，在原頂板支護(hù)參數(shù)中去掉鋼帶支護(hù)，錨桿由原來的螺紋鋼錨桿改用A3圓鋼錨桿，增加錨桿的間排距，錨索則由直徑17.8 mm減小為15.24 mm，增加其間排距。原巷道兩幫支護(hù)參數(shù)中，在巷道兩幫各增加1根錨桿，錨索數(shù)量不變。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，優(yōu)化后支護(hù)可以有效的控制巷道圍巖變形，節(jié)約支護(hù)成本，提高掘進(jìn)效率。