基于塑性區演化的煤柱寬度留設及柔性錨索支護技術研究

楊永亮，楊 森

（1. 國家能源集團神東煤炭集團公司，陜西 神木 719315；2. 中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

合理煤柱寬度設計對巷道穩定性控制、煤炭資源高效回收利用等具有重要意義[1]。不同的煤柱寬度下巷道所處應力環境不同，為了提高巷道穩定性、減小巷道支護難度，通常將巷道布置于開采擾動應力降低區[2-5]。對此，相關研究人員主要通過數值模擬、理論分析、現場探測相結合的方法研究不同工程地質條件下的合理煤柱寬度[6-9]。張金貴等[10]建立了煤柱寬度計算理論模型及數值模型，明確了不同煤柱寬度下的巷道位移場、應力場及塑性區分布特征，并經現場實踐進行了驗證；王俊峰[11]通過極限平衡理論確定了煤柱寬度為5 m，比原方案多生產原煤2.83萬t，有效提高了經濟效益；蔣威等[12]認為煤柱穩定性與覆巖結構為巷道變形的主要影響因素，并確定了合理煤柱寬度為5～10 m；何文瑞等[13]基于沿空巷道覆巖結構，揭示了不同煤柱寬度下的巷道應力環境分布特征。在巷道支護方面，針對巷道大變形錨索易過載拉斷的問題，李沖等[14]提出采用柔性錨索支護以釋放部分能量，經工程實例驗證取得了良好的支護效果；曹建來[15]針對五陽煤礦支護密度大、成本高、效果差等問題，提出采用超高強柔性錨桿支護，提高了巷道圍巖承載能力，取得了良好的支護效果。

以上研究成果多是針對具體工程地質條件，對布爾臺煤礦及類似工程地質條件的礦井應用效果較差?；诖?，以神東布爾臺煤礦42108輔運巷道為工程實踐對象，通過理論分析、數值模擬等方法確定合理煤柱寬度并提出相應支護技術，保障工作面安全高效生產，為類似條件礦井提供借鑒。

1 工程概況

神東布爾臺煤礦42煤層平均埋深約350 m，與上覆已采的2號煤層間距為45～78 m，42107工作面位于42煤層一盤區中部，與南側已開采的42106工作面、北側未開采的42108工作面之間的區段煤柱均為25 m。42107工作面平均煤厚6.9 m，采用綜放工藝進行開采，采高為3.7 m，放煤高度為3.2 m。煤層直接頂是厚度為6.5 m的砂質泥巖，老頂為細砂巖及砂質泥巖；煤層直接底是厚度為6.3 m的砂質泥巖。參考相鄰礦井地應力測量結果，該礦井處側壓系數約1.2。工作面綜合柱狀圖及巷道布置示意如圖1所示。

圖1 地質綜合柱狀圖及巷道布置Fig. 1 Comprehensive of geological histogram and roadway layout

42108工作面輔運巷道設計斷面為矩形，寬×高為5.4 m×3.8 m。巷道的原支護方案為：頂板采用“左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+鋼筋網+錨索+π型鋼帶”，其中，錨桿的規格為Φ22 mm×2000 mm，間排距為1100 mm×1000 mm，錨索的規格為Φ22 mm×8000 mm，間排距為2100 mm×2000 mm，錨索布置在π型鋼帶上，鋼帶的規格為4600 mm×140 mm×8 mm；幫部采用“玻璃鋼錨桿+木托板＋金屬網”，其中，錨桿的規格為Φ18 mm×2000 mm，間排距為800 mm×1000 mm，金屬網的規格為1200 mm×4200 mm，網孔的規格為45 mm×45 mm。42108工作面輔運巷開掘并進行支護后，在42107工作面采動的影響下出現了幫部移近量接近1 m的大變形，進行多次補強支護后仍然不能有效地控制巷道變形。輔運巷表面變形量及深基點變形量實測情況如圖2所示，均為該測站首次測量時與工作面的距離。

圖2 巷道變形量實測Fig. 2 Actual measurement of roadway deformation

2 回采巷道塑性區演化特征

2.1 巷道塑性區分布特征

王衛軍等[16]給出了非等壓圓形巷道圍巖塑性區分布形態隱性方程，見式（1）。

式中：γ為巖石容重，取25 kN/m3；H為埋深，取350 m；k為側壓系數，取1.2；R為當量巷道半徑，計算得R=3.3 m；r、θ分別為極坐標任一點半徑及角度；c為黏聚力，取7 MPa；φ為內摩擦角，取41°。

將42108輔運巷相關參數帶入式（1），當f（r，θ）=0時可得巷道圍巖塑性區分布方程，如圖3所示。由圖3可知，側壓系數不同時巷道塑性區分布形態不同。整體上，巷道塑性區形態向右偏轉約20°，說明42107工作面開采時42108輔運巷發生了應力向右偏轉約20°。塑性區分布范圍隨側壓系數的增大而增大，在巷道所處應力環境中（k=1.2）塑性區分布范圍為1.8～2.7 m，呈現非對稱破壞特征。

圖3 42108輔運巷塑性區分布規律Fig. 3 Distribution law of plastic zone in 42108 auxiliary haulage roadway

2.2 煤柱寬度的塑性理論計算

為確定合理煤柱寬度，降低巷道維護難度，以42108輔運巷為例，采用極限平衡理論初步計算合理煤柱寬度。沿空巷道的保護煤柱寬度通?？煞譃槿糠郑▓D4），其中X1為沿空巷道錨固有效長度，X2為根據工程地質條件增加的保障性安全系數區，X3為區段煤柱受相鄰工作面采動采動影響產生的塑性區寬度，按X2=0.3（X1+X3）計算，則煤柱寬度B=X1+X2+X3。

圖4 煤柱的彈塑性變形區Fig. 4 Elastic-plastic deformation zone of coal pillar

根據極限平衡理論[17-18]，采動塑性區寬度X3可表示為式（2）。

式中：M為采高，取3.2 m；ξ為三軸應力系數，ξ=（1+sinφ）/（1-sinφ）；f為煤層與頂底板的摩擦系數，取0.2；k1為應力集中系數，取3；P1為支護結構對煤體的支護強度，取0.1 MPa。將上述各參數帶入式（2），得X3=9.48 m。

巷道掘進形成的塑性區寬度X1可表示為式（3）。

式中：α、k2為廣義Mises準則系數，α=

將上述參數帶入式（2），得X1=10.90 m，則X2=6.11 m，煤柱寬度B=26.49 m。即通過極限平衡理論可得，煤柱寬度應不小于26.49 m。

2.3 不同煤柱寬度巷道塑性區分布形態

基于42108輔運巷工程地質條件建立FLAC3D數值模型，明確巷道塑性區分布特征。數值模型長×寬×高為1000 m×600 m×200 m，包含2#煤層、4#煤層等在內共12層巖層，各巖層物理力學參數見表1。模型左右兩側各留50 m保護煤柱，固定模型前后左右及底部邊界，在模型頂部施加8.25 MPa垂直載荷模擬覆巖應力。42煤層上覆45～78 m為22煤層采空區，因此采用雙屈服模型描述22煤層采空區垮落巖體的破壞特征，其他巖層的破壞準則為Mohr-Coulomb準則。

表1 巖石力學參數Table 1 Rock mechanical parameters

雙屈服模型參數校核過程為：通過經驗公式確定22煤層垮落帶發育高度為12 m，通過Salamon經驗公式確定垮落巖體理論應力-應變關系，最終采用試錯法比對數值模型中的塊體應力應變關系與Salamon理論計算結果，一致性極高時即可將該參數作為雙屈服模型的參數，結果見表1。

細化巷道附近區域的網格密度以提高計算精度，同時保障計算速度。按上述方案進行模擬，不同煤柱寬度下的塑性區分布形態如圖5所示。由圖5和圖6可知，不同煤柱寬度下巷道塑性區均呈非對稱分布形態，煤柱寬度為25 m時頂板塑性區達3.5 m，煤柱側塑性區3.5 m，煤壁側塑性區3 m且與頂板非對稱塑性區貫通，底板塑性區非對稱性與頂板相反，這與理論分析所得結果一致；煤柱內部有兩個距離較近的彈性核，此時巷道處于應力集中區與卸壓區的交界處，在一定程度上仍影響巷道穩定性。煤柱寬度為30 m時，煤柱側塑性區范圍減小為3.0 m，但煤柱內部兩個彈性核中間出現明顯的應力降低區，這有利于降低巷道維護難度，增強巷道穩定性。隨著煤柱寬度的繼續增大，巷道塑性區發育范圍基本未變，隨之變化的是兩個應力彈性核區的間距，但這表明此煤柱寬度下巷道已處于卸壓區。綜上所述，考慮塑性區發育范圍、應力分布特征及煤炭回收率，確定煤柱寬度為30 m。

圖5 不同煤柱寬度下的塑性區分布形態Fig. 5 Distribution pattern of plastic zone under different pillar widths

圖6 不同煤柱寬度下的垂直應力分布特征Fig. 6 Vertical stress distribution characteristics under different pillar widths

3 柔性錨索支護技術研究及應用

3.1 巷道大變形失穩原因

結合前文所述，巷道進行了多次補強支護仍無法有效控制巷道變形量，模擬分析了煤柱寬度為25 m時不同錨索支護方案下的巷道塑性區分布特征，揭示巷道大變形失穩原因，為30 m煤柱寬度下的巷道支護方案設計提供借鑒。支護方案主要為補強支護，模擬結果如圖7所示。由圖7可知，不同支護方案下巷道塑性區形態均呈蝶形分布，與圖3所示理論分析結果較為一致。經計算，頂板補強支護3根錨索、6根錨索、9根錨索時，支護阻力分別為0.52 MPa、0.72 MPa、0.91 MPa，此時圖7（c）所示的頂板塑性區最大深度減小至3.2 m，相比原支護方案僅減小0.3 m，塑性區面積由原支護方案下的14.92 m2減小到13.28 m2，3種補強支護方案對頂板塑性區面積控制率分別為9.00%、12.25%、17.00%，塑性區依然呈現非對稱形態。

圖7 補強支護下巷道塑性區分布Fig. 7 Distribution of plastic zone in roadway under reinforcement support

綜上所述，提高支護阻力對控制巷道圍巖破壞范圍的作用較為有限。錨桿錨索支護作用的實質是將塑性變形圍巖錨固在穩定巖層中，形成組合梁、加固拱等結構增強淺部圍巖承載能力，從而控制巷道非連續大變形，而42108輔運巷整體變形量較大，幫部錨索呈現拉伸破斷形態，這意味著現用錨索無法有效適用于該巷道，據此提出采用延伸率較大的柔性錨索進行高強讓壓支護。

3.2 柔性錨索補強支護方案

柔性錨索內部充填了一定量的橡膠塊，當巷道發生大變形錨索內鋼絞線受力超過某一閾值時，橡膠塊受壓逐漸開始變形，將錨索內部鋼絞線拉直，達到既增大錨索延伸率的同時又不損害錨索整體強度的目的。

柔性錨索由7股高強度低松弛的鋼絞線組成，桿體直徑22 mm。在桿體上每隔0.5 m設置一個鳥巢結構填充橡膠塊，填充長度為0.1 m，單個鳥巢可伸長2～3 cm，錨索整體延伸率可達20%，相比普通錨索延伸率約為4%。

在現有支護方案的基礎上，將幫部錨桿間距縮減至750 mm×750 mm，并增加三根柔性錨索進行補強支護，錨索規格為Φ22 mm×6500 mm，間排距1500 mm×1500 mm；同時將頂板的錨索規格更換為Φ28.6 mm×8000 mm，間排距不變，支護方案示意如圖8所示。

圖8 支護方案Fig. 8 Support scheme

3.3 工業性實踐

按上述支護方案進行施工并持續監測巷道幫部移近量，結果如圖9所示。其中，進行首次測量時測站1、測站4的位置分別超前工作面30 m、80 m，測站2、測站3分別滯后工作面40 m、20 m。由圖9可知，巷道施工后兩幫位移量顯著降低，受采動影響時間較短的區段30 d時巷道位移量為40～80 mm，受采動影響時間較長的區段（如原幫部位移量約1 m的區段）此時仍產生160 mm左右的片幫量，但整體控制效果顯著，為巷道安全高效開采提供了有力保障。

圖9 巷道支護效果Fig. 9 Roadway support effect

4 結論

1）明確了巷道塑性區非對稱蝶形向右偏轉約20°分布的形態，塑性區分布范圍為1.8～2.7 m。

2）建立了煤柱彈塑性力學模型，基于極限平衡理論明確了合理煤柱寬度應不小于26.49 m，結合數值模擬進一步明確了不同煤柱下的塑性區及應力場分布特征，綜合考慮確定了合理煤柱寬度為30 m。

3）結合數值模擬明確了多次補強支護仍無法有效控制巷道變形量的原因，在此基礎上提出了柔性錨索支護方案，經現場實踐后30 d內兩幫最大變形量160 mm，圍巖控制效果顯著。