傾斜煤層沿空半煤巖巷斷面形狀優化研究

許 帥，高 林，2，3，劉鵬澤，張盼棟，劉 萍，3，馬振乾，3，康向濤，3，汪永印，3

(1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.中國礦業大學(北京) 煤炭行業巷道支護與災害防治工程研究中心，北京 100083；3.貴州大學 喀斯特地區優勢礦產資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，貴州 貴陽 550025)

貴州省煤炭資源儲量豐富，但賦存條件復雜，且以(緩)傾斜薄及中厚煤層為主，現階段工作面回采多采用留窄煤柱沿空掘巷護巷方式，導致傾斜煤層沿空半煤巖巷分布廣泛。由于該類巷道圍巖結構的非均質性、非對稱性，巷道開挖后，呈現出明顯的非對稱性大變形特征，嚴重影響礦井的安全高效生產。

近年來，一些學者針對半煤巖巷的變形機理及支護技術進行了相關研究，取得了大量研究成果[1-9]，但大多針對半煤巖巷支護方式及參數的優化。已有研究表明，巷道斷面開挖形狀與圍巖變形之間存在相互關聯影響，巷道斷面形狀設計的合理與否，直接影響著礦井生產的安全和經濟效益[10]。因此，相關學者針對巷道斷面形狀優化設計進行了研究。如南培珠等[11]依據軸變論思想，結合結構力學機理，得出“平頂弧幫”斷面優于“直墻矩形”斷面；李桂臣等[12]采用FLAC3D研究了幾種典型斷面在巖體中開挖后圍巖塑性區分布、主應力差和圍巖變形特征，在此基礎上提出了“等效開挖”“無效加固區”概念；孟慶彬等[13]通過FLAC3D研究了6種典型斷面在不同側壓力系數下對塑性區分布的影響，認為選取圓形及橢圓形巷道可以改善圍巖變形；馮偉等[14]基于ABAQUS模擬得出在埋深小于400m，側壓系數小于1.6時矩形巷道圍巖變形量與直墻半圓拱巷道差距較??；熊咸玉等[15]通過數值模擬、室內實驗、現場實測，得出緩傾斜直角梯形巷道應力分布呈非對稱性；張進鵬等[16]針對大傾角煤巖層巷道局部應力集中問題，采用數值模擬與工程實踐相結合的研究方法，得出偏心直墻半圓拱形斷面能夠降低圍巖應力集中，使圍巖應力分布趨于合理化；楊勝利等[17]以羊場灣煤礦二煤綜采工作面為研究對象，通過理論計算開采后的“兩帶”高度，結合現場實測，總結出不同巷道斷面的適用性情況；馬德鵬等[18]基于UDEC分析巷道的圍巖能量釋放，得出巷道邊界越光滑，能量釋放越低；郭曉菲等[19]通過理論分析與數值模擬驗證了蝶形破壞理論在不同斷面和不同層狀圍巖的適用性；羅毅[20]采用AUTODYN數值模擬軟件研究不同斷面形狀對井下避險設施承受沖擊載荷的影響；張一夫等[21]利用自主編制的(FCM)C++求解程序，對不同斷面圍巖散熱展開研究，得出圍巖溫度場的分布受斷面形狀影響顯著。

總結上述研究成果發現，已有針對巷道斷面形狀的優化研究多集中于近水平全煤(巖)巷，對傾斜煤層沿空半煤巖巷鮮有提及[22-29]。本文以貴州土城礦1511回風巷為工程背景，選取斜頂梯形、直墻半圓拱形及斜墻弧頂形三種類型斷面，基于數值模擬分析不同斷面形狀開挖下的傾斜煤層沿空半煤巖巷塑性區分布規律與圍巖變形特征，并通過工程實踐驗證研究成果的可靠性。

1 工程背景

貴州土城礦采區內采用區段下行式布置開采方式，即同一煤層上一區段開采完之后再開采下一區段。設計下一步1511工作面作為接替工作面，上部緊鄰1509工作面，開采15號煤層，平均傾角20°，平均厚度2.1m，頂底板為泥質粉砂巖、粉砂巖等。由于上下區段間采用留設5m寬窄煤柱護巷方式，因此，1511回風巷沿頂掘進時屬于典型的傾斜煤層沿空半煤巖巷，巷道布置如圖1所示。

圖1 巷道布置

實際調研中發現，由于采用支護方式的不同，當前該類巷道掘進斷面形狀主要有斜頂梯形、直墻半圓拱形和斜墻弧頂形三種類型，但圍巖變形特點及控制效果不盡相同。因此，為給下一步掘進的1511回風巷斷面形狀設計提供理論依據，采用數值模擬方法針對上述三種不同斷面形狀開挖下的傾斜煤層沿空半煤巖巷圍巖塑性區分布規律及變形特征進行系統研究。

2 數值模擬

2.1 數值模型與參數

為便于比較分析，上述三種斷面尺寸(凈寬×中高)均設定為5000mm×3100mm，其中斜墻弧頂形斷面中斜墻外扎角度為5°，如圖2所示。

圖2 巷道斷面參數(mm)

以1511回風巷為工程地質背景建立數值模型，主要煤巖層參數按照力學測試結果和相關地質資料取值，見表1。采用Auto CAD及MIDAS GTSNX軟件建立1511回風巷不同斷面形狀開挖情況下的網格劃分模型，同時將距離巷道兩幫10m、頂板14m和底板10m范圍內的網格進行加密處理，最后導入FLAC3D數值模擬軟件中進行賦值計算。為進行對比分析，除開挖斷面形狀不同外，三個數值模型的尺寸、物理力學參數取值等均相同。以建立的斜墻弧頂形開挖斷面數值模型為例，模型尺寸為150m×50m×80m，煤巖層傾角20°，共包括202670個節點、170775個單元，如圖3所示。數值模型限制其側向和底部位移，在模型上部施加12MPa模擬上覆巖層的自重，采用Mohr-Coulomb屈服準則，分析巷道開挖之后的塑性區分布規律與圍巖變形特征。

表1 煤巖層物理力學參數

圖3 三維數值模型(斜墻弧頂形斷面開挖)

2.2 數值模擬計算步驟

為消除其他因素的影響，三種不同斷面形狀開挖下的數值模型的計算步驟均統一為：①模型參數賦值，計算至初始地應力平衡狀態；②上區段1509工作面模擬回采，采空區自然垮落；③留設5m寬區段煤柱，進行1511回風巷開挖；④進行下區段1511工作面模擬回采，計算至平衡；⑤提取相關數據，分析1511回風巷圍巖塑性區分布規律及變形特征等。

2.3 數值模擬結果及分析

2.3.1 巷道圍巖塑性區分布

受掘采擾動影響，1511回風巷圍巖應力重新分布，不同斷面形狀下的巷道圍巖塑性區分布如圖4所示，然后根據模型網格加密區及非加密區尺寸，頂底板及幫部塑性區最大深度統計見表2。

圖4 不同斷面形狀巷道圍巖塑性區分布

表2 不同斷面形狀塑性區最大深度 m

分析可知，三種巷道斷面的塑性區擴展趨勢基本一致，巷道圍巖破壞首先從頂底板開始，產生局部剪切破壞帶，然后沿著煤層傾向擴展，最后局部剪切帶相互連接、貫通，形成較大范圍的塑性區。同時，巷道左幫塑性區均大于頂底板塑性區且沿煤層傾向延伸并在巷道頂底板上下擴展。具體表現為：①斜頂梯形斷面形狀下巷道頂板塑性區擴展范圍較大，與上區段工作面采空區側形成的塑性區相連通，導致破壞范圍加大；②直墻半圓拱斷面形狀下，由于巷道頂部形狀變光滑導致巷道肩角部位應力集中程度降低，使得塑性區范圍較斜頂梯形斷面形狀下縮小，無法與采空區側形成的塑性區連通，破壞范圍減??；③當巷道斷面形狀為斜墻弧頂形時，巷道斷面形狀整體更加趨近于圓弧形，同等條件下圍巖承載性能優于前兩者，圍巖塑性區擴展區域相對較小，頂底板塑性區分布范圍與斜頂梯形和直墻半圓拱形狀相比均較小。

2.3.2 巷道圍巖變形特征

為了分析不同斷面形狀開挖后圍巖變形特征，在數值模型中沿巷道頂底板及左右兩幫設置了4條20m長測線，頂底板測線沿巷道中線布置，左右兩幫測線沿巷道腰線布置。每條測線均布置20個測點，不同斷面形狀下的巷道圍巖位移變化曲線如圖5所示。

圖5 不斷面形狀圍巖位移變化曲線

由圖5分析可知，巷道圍巖變形量大小整體呈現出“頂板煤體>左側煤體>右側巖體>底板巖體”，即煤體變形量大于巖體，非對稱性特征明顯。斜頂梯形、直墻半圓拱形、斜墻弧頂形三種斷面巷道開挖后圍巖位移演化規律基本一致，但隨著巷道斷面形狀逐漸趨近于圓弧形(斜墻弧頂形)，巷道表面位移逐漸減小。具體表現為：①斜頂梯形的頂板下沉量(540mm)明顯大于直墻半圓拱形和斜墻弧頂形，分別是兩者的1.23倍、1.60倍；②斜頂梯形、直墻半圓拱形、斜墻弧頂形的底鼓量依次為55mm、48mm、39mm，斜墻弧頂底鼓量最??；③斜墻弧頂形左右兩幫移近量最小，為169mm，斜頂梯形左右兩幫移近量最大，為248mm。

綜合上述研究結論可知，同等條件下，與斜頂梯形、直墻半圓拱形相比，斜墻弧頂形斷面開挖更有利于傾斜煤層沿空半煤巖巷圍巖變形控制。

3 斜墻外扎角度優化

為進一步獲取斜墻弧頂形斷面最佳斜墻外扎角度，從而指導巷道斷面的優化設計，在前述數值模型的基礎上，繼續進行斜墻外扎5°、10°、15°三種情況下巷道圍巖塑性區分布、圍巖變形特征對比分析。不同斜墻外扎角度的巷道斷面尺寸、圍巖塑性區分布如圖6、圖7所示，塑性區最大深度見表3。

圖6 不同斜墻外扎角度巷道斷面參數(mm)

3.1 不同斜墻外扎角度塑性區分布

由圖7分析可得，不同斜墻外扎角度下的巷道圍巖塑性區分布基本一致，呈扁平狀分布，且向煤層傾斜方向延伸，符合不同形狀的巷道斷面外接圓半徑相同時，其塑性區分布規律基本一致的“等效開挖”理念[12]。由表3可知，隨著斜墻外扎角度從10°增加到15°，底板塑性區最大擴展深度也隨之增加。但當斜墻外扎10°時，巷道頂板及左幫的塑性區最大深度均小于斜墻外扎5°和15°。

圖7 不同斜墻外扎角度巷道圍巖塑性區分布

表3 不同斜墻外扎角度塑性區最大深度 m

3.2 不同斜墻外扎角度圍巖變形特征

按照前述數值計算過程中巷道圍巖位移監測方法，不同斜墻外扎角度下的巷道圍巖位移變化曲線如圖8所示。

圖8 不同斜墻外扎角度圍巖位移變化曲線

由圖8分析可知，不同斜墻外扎角度下的巷道表面位移演化規律基本一致，但又存在差異，具體為：①斜墻外扎5°、10°、15°時頂板下沉量分別為337mm、250mm、280mm，斜墻外扎10°時巷道頂板下沉量最??；②斜墻外扎5°的底板鼓起量(39mm)最大，分別是斜墻外扎10°、15°的1.56倍、1.08倍；③斜墻外扎10°時巷道左右兩幫移近量最小，為135mm，斜墻外扎5°時最大，為169mm。綜合以上分析，斜墻外扎角度為10°時，巷道圍巖變形破壞程度最小。

4 工業試驗

綜合上述研究結果和現場經驗，設計確定1511回風巷掘進時采用斜墻弧頂形斷面開挖，斜墻外扎角度為10°，如圖9所示。同時，針對此類巷道圍巖的非對稱大變形，支護方案采用以“非對稱預應力穿層鎖棚錨索”為核心的“棚-索”協同錨護控制技術[8]。巷道服務期間，采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面檢測儀對1511回風巷全斷面進行了變形檢測[30，31]，如圖10所示。結果表明，回采期間斷面最大收縮率僅為23.3%，巷道整體均勻協調變形，滿足工程應用。說明1511回風巷以斜墻(外扎10°)弧頂形斷面掘進，能夠保持巷道圍巖的穩定，進一步驗證了研究結果的可靠性。

圖9 外扎10°斜墻弧頂形斷面開挖

圖10 巷道變形全斷面激光檢測示意(m)

5 結 論

本文以結合具體工程背景，選取斜頂梯形、直墻半圓拱形及斜墻弧頂形三種類型斷面，基于數值模擬分析不同斷面形狀開挖下的傾斜煤層沿空半煤巖巷塑性區分布規律與圍巖變形特征，并進行了工業試驗驗證，得到如下結論：

1)斷面形狀對傾斜煤層沿空半煤巖巷圍巖塑性區分布、圍巖變形特征影響顯著，巷道圍巖塑性區破環范圍由小到大為斜墻弧頂形、直墻半圓拱形、斜頂梯形，巷道圍巖變形量由小到大為斜墻弧頂形、直墻半圓拱形、斜頂梯形，斜墻弧頂形斷面開挖更有利于該類巷道圍巖變形控制。

2)同等條件下，斜墻外扎10°時的斜墻弧頂形斷面在開挖之后圍巖變形量與圍巖最大塑性區深度均最小，為相對理想的巷道斷面形狀。

3)以貴州土城礦1511回風巷為工程實踐對象開展了工業性實驗，結果表明，選取斜墻(外扎10°)弧頂形斷面掘進，服務期間斷面最大收縮率僅為23.3%，巷道整體均勻協調變形，滿足工程應用，驗證了研究結果的可靠性。