傾斜厚煤層異形巷道圍巖變形特征及非對稱支護技術研究

楊龍龍，陳凱銘，鞠志勇

（國家能源集團神東煤炭集團烏蘭木倫煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017200）

0 引 言

我國煤炭資源儲量豐富，其傾斜煤層儲量占國內總儲量的36%[1-2]。但是由于傾角較大，傾斜煤層開采過程中圍巖穩定性控制及巷道支護尤為困難[3-4]。傾斜煤巖體的賦存結構導致巷道無法按照規則斷面進行布置，進而出現異形巷道的高低幫非對稱承載結構[5-6]。此外，傾斜覆巖會對巷道產生水平應力，容易導致巷道兩幫滑移，產生劇烈的礦壓顯現[7-8]。因此，需要開展傾斜煤層異形巷道圍巖控制研究。

不少學者對傾斜煤層巷道圍巖控制進行了廣泛的研究。劉偉韜等[9]利用理論分析和數值模擬，分析了傾斜煤層巷道底板應力分布規律和破壞范圍；孫希亮[10]研究了不同傾角下巷道的圍巖應力狀態和破壞特征，確定了不同煤層傾角的支護方案；常立等[11]分析了傾斜煤層巷道圍巖的破壞形態及疊加采動應力影響下巷道主應力差值的變化特征；魏世榮等[12]研究了多煤層開采時開采厚度、開采方法及工作面跨度等因素對上覆巖層破壞高度的影響；何清波等[13]開展了傾斜煤層覆巖位移與頂板應力的變化規律研究，得到了傾斜厚煤層采動裂隙演化特征；原亞鵬等[14]通過數值模擬方法，分析了傾斜煤層工作面異形巷道不同支護方案下圍巖位移演化規律；林文明等[15]采用物理實驗的方法，研究了傾斜煤層兩幫應力隨煤厚變化的關系。

本文針對傾斜厚煤層中異形巷道圍巖變形量大、礦壓顯現顯著的問題，以烏蘭木倫煤礦工作面為技術背景，通過將工作面運巷和風巷的異形巷道進行區域劃分，分析了不同區域內異形巷道應力場演化特征及變形規律，針對異形巷道圍巖應力分布非均勻特點，提出以補強錨索和大直徑鉆孔卸壓為基礎的“高補低卸”異形斷面非對稱支護技術，并進行現場應用，圍巖控制效果顯著，為類似條件下的傾斜厚煤層異形巷道圍巖控制提供了指導參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

國家能源集團神東煤炭集團烏蘭木倫煤礦52604 工作面位于?590 m 水平，其東北側為52602 采面，該采面超前52604 工作面距離不小于320 m，且與52604 工作面留有30 m 隔離煤柱。52604 工作面沿東北方向走向推進，工作面長度394 m，煤層厚度3.8 m，煤層傾角38°，屬于傾斜煤層。52604 工作面運巷和風巷都采用異形斷面布置，異形巷道低幫高度為3 m，高幫高度為5 m，巷道寬度5 m。為了研究傾斜厚煤層異形巷道圍巖應力場演化特性及變形特征，將異形巷道劃分為三個區域。①運巷回采區：以52604 工作面運輸巷為主體，低幫為52604 工作面回采實體煤，高幫為52602 工作面與52604 工作面保護煤柱，其傾向方向遠場區域為52604 工作面采空區；②運巷超前區：以52604 工作面運輸巷為主體，低幫為52604 工作面回采實體煤，高幫為52602 工作面與52604 工作面保護煤柱，其傾向方向遠場區域為52604 工作面實體煤；③風巷超前區：以52604 工作面回風巷為主體，低幫為實體煤，高幫為52604 工作面實體煤。如圖1 所示。

圖1 異形巷道區域劃分圖Fig.1 Zone division of irregular roadway

1.2 圍巖變形特征

對52604 回采工作面超前75 m 處的運巷回采區內異形巷道斷面進行監測，結果如圖2 所示。由圖2可知，運巷回采區內異形巷道變形嚴重。由圖2（a）可知，在支承應力作用下，異形巷道低幫處煤巖體被擠壓，最大鼓出量為243 mm，位于底板以上1.3 m 處；由圖2（b）可知，異形巷道高幫在距底板4.2 m 以下的煤巖體受到頂底板擠壓，發生鼓出現象，其最大鼓出量為532 mm，而在4.2 m 以上的煤巖體受到水平應力作用出現明顯滑移脫落現象，最大滑移深度為400 mm；由圖2（c）可知，異形巷道底板出現明顯底鼓，最大底鼓處位于距低幫1.4 m 處，最大底鼓量為682 mm，且底板位移曲線呈現明顯非對稱形態，表明異形巷道低幫附近底板的支承應力大于高幫附近底板支承應力；由圖2（d）可知，異形巷道頂板出現明顯下沉，最大下沉處位于距低幫3.2 m 處，最大下沉量為431 mm，且頂板下沉曲線呈現明顯非對稱形態，表明異形巷道高幫附近頂板的支承應力大于低幫附近頂板支承應力。

圖2 異形巷道變形特征Fig.2 Deformation characteristics of irregular roadway

1.3 巷道破壞類型

圖3 給出52604 工作面運巷回采區域異形巷道礦壓顯現特征。異形巷道圍巖變形特征主要有兩幫向巷道斷面內的側向收縮、頂板劇烈下沉和強烈的底鼓。巷道的礦壓顯現主要表現為明顯的巷道底鼓、高幫煤體側向滑移、頂幫錨桿（索）失效以及斷面明顯收縮等。由圖3 可知，異形巷道高低幫礦壓現象特征差異較大，這是因為在傾斜煤層回采期間，上覆巖層對煤巖體產生水平應力，其中，高幫鼓包現象尤為嚴重，表明工作面回采期間，支承應力導致高幫煤柱強度弱化；此外，低幫錨桿失效較為明顯，表明工作面回采期間，工作面實體煤應力較大；同時，頂板兜網和底板凸起表明工作面回采期間，頂底板支承應力較大，應力集中系數高。因此，需要針對異形巷道不同破壞特征采用不同方法進行圍巖控制。

圖3 異形巷道礦壓顯現特征Fig.3 Characteristics of rock pressure in irregular roadway

2 異形巷道圍巖應力-變形模擬研究

2.1 數值模型構建及參數

為了研究傾斜厚煤層異形巷道圍巖應力場演化特性及變形特征，以烏蘭木倫煤礦52604 工作面為工程背景，工作面直接頂為4.2 m 中粒砂巖，基本頂為8.2 m 細粒砂巖，直接底為3.5 m 粗砂巖，基本底為4.5 m 砂質泥巖。其力學參數見表1。

表1 煤巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

建立300 m×300 m×200 m 數值模型，共105 984個單元和110 349 個節點，如圖4 所示。為了消除邊界影響，工作面走向距離模型邊界不小于70 m，工作面傾向各留出80 m 邊界煤柱。同時，固定模型前后、左右及下部邊界，上部邊界施加上覆巖層重量換算的垂直應力25.6 MPa。模型整體采用摩爾-庫倫本構關系。為了模擬工作面回采過程，每步沿煤層走向開挖10 m，共計開挖20 步，回采工作面共計向前推進200 m。

圖4 數值模型構建Fig.4 Numerical model

2.2 異形巷道圍巖應力場演化特征

圖5～圖7 給出52604 工作面回采區間異形巷道應力場演化特征。由圖5 可知，運巷回采區內異形巷道低幫應力明顯高于高幫應力，其中在巷道低幫26 m 實體煤處形成明顯應力集中，最大應力為74.1 MPa，而高幫應力峰值位于高幫8.4 m 處，最大應力值為25.9 MPa，高幫與低幫最大應力值差為48.2 MPa；由圖6 可知，運巷超前區內異形巷道分布較為均勻，其中低幫最大應力出現在圍巖12.5 m 處，最大應力值為62.9 MPa，而在高幫最大應力出現在圍巖14.9 m 處，最大應力值為59.4 MPa，高幫與低幫最大應力值差為3.5 MPa；由圖7 可知，風巷超前區內異形巷道高幫圍巖應力集中現象較低幫應力集中現象更為明顯，其中，高幫最大應力出現在圍巖16.9 m 處，最大應力值為64.3 MPa，低幫最大應力出現在圍巖14.1 m 處，最大應力值為53.7 MPa，高幫與低幫最大應力值差為10.6 MPa。綜合圖5～圖7 可知，傾斜厚煤層運巷回采區異形巷道應力場分布最為復雜，因此，針對傾斜厚煤層運巷回采區異形巷道應力場分布特征及變形規律進行重點研究。

圖5 運巷回采區應力場分布云圖Fig.5 Stress field distribution in transport roadway of working area

圖6 運巷超前區應力場分布云圖Fig.6 Stress field distribution in transport roadway of advanced area

圖7 風巷超前區應力場分布云圖Fig.7 Stress field distribution in ventilate roadway of advanced area

2.3 異形巷道側向應力分布規律

根據數值模型分析，考慮到運巷回采區異形巷道應力場分布復雜程度最高，因此，利用數值軟件二次開發功能，提取運巷回采區異形巷道應力值分析異形巷道側向應力分布特征。圖8 給出距回采工作面不同距離運巷回采區異形巷道上覆巖層側向應力分布規律。由圖8 可知，異形巷道圍巖應力分布呈現明顯非對稱狀態，其中巷道正上方頂板總體呈現應力釋放狀態，僅在巷內距高幫800 mm 范圍內出現應力增強現象，其最大垂直應力為42.7 MPa；在巷道低幫應力隨著離巷道距離的增加呈現增大的趨勢，且應力值隨著超前距離的增加而減??；在巷道高幫應力隨著離巷道距離的增加出現明顯減小趨勢，表現出明顯的卸載特征。

圖8 異形巷道側向應力分布規律Fig.8 Lateral stress distribution of irregular roadway

2.4 異形巷道變形特征

利用后處理軟件提取運巷回采區、運巷超前區和風巷超前區三個區域內的異形巷道變形量，如圖9所示。由圖9 可知，在三個區域中，運巷回采區異形巷道變形量最大，運巷超前區異形巷道變形量次之，風巷超前區異形巷道變形量最小，但是三個區域內的異形巷道頂板和高幫圍巖變形量均大于底板圍巖變形量及低幫圍巖變形量，其中，運巷回采區內異形巷道高幫和頂板的圍巖變形量分別為513 mm 和487 mm，明顯高于底板圍巖變形量416 mm 和低幫圍巖變形量224 mm，因此，傾斜厚煤層異形巷道的高幫和頂板是圍巖控制的重點區域，同時運巷回采區內異形巷道的高幫和頂板控制尤為關鍵。

圖9 不同區域內異形巷道變形規律Fig.9 Deformation law of irregular roadway in different regions

3 異形巷道圍巖變形非對稱控制技術

針對52604 工作面應力場呈現明顯非對稱狀態，在原單一依靠錨桿支護的基礎上，提出“高補低卸”的異形斷面非對稱支護技術。其技術原理主要分為兩部分：一方面針對回采過程中支承應力對高幫煤柱造成的弱化引起的滑移垮落區域，采用錨索進行補強支護，從而對煤體進行加固，使煤體能夠給頂板提供有效支撐；另一方面在異形巷道低幫采用大直徑鉆孔卸壓，將低幫煤體內支承應力向圍巖深部轉移，減小巷道低幫圍巖內的應力集中，降低低幫煤巖體所承載的應力，從而實現對低幫圍巖的有效控制。圖10 給出52604 工作面異形巷道非對稱支護圖。具體支護方案為：第一，異形巷道頂板、高幫和低幫主體支護為長度2 800 mm、直徑22 mm 的螺紋鋼錨桿，間 排 距為750 mm×750 mm ， 錨 桿 搭 配500 mm×500 mm 正方形網格金屬網片及直徑18 mm 鋼筋焊接托梁進行支護；第二，針對異形巷道頂板，以巷中線為基準左右1 000 mm 處均布置長度6 800 mm、直徑18 mm 的錨索進行補強支護，錨索排距為2 250 mm，沿著巷道走向布置W 型鋼帶配合錨索支護；第三，對于異形巷道高幫，以底板以上3.5 m 處按照60°傾角向上施工長度6 800 mm、直徑18 mm 補強錨索對高幫煤體，錨索排距為2 250 mm，同時沿著巷道走向布置W 型鋼帶配合錨索支護；第四，在異形巷道低幫底板以上1.5 m 處按照35°傾角和0°走向角向下施工長度15 m、直徑150 mm 卸壓鉆孔，卸壓鉆孔走向間距為1.8 m；第五，在異形巷道底板以巷中線左右1.5 m 處按照外斜30°傾角和0°走向角向下施工長度15 m 直徑150 mm 卸壓鉆孔，卸壓鉆孔走向間距為1.8 m。

圖10 異形巷道“高補低卸”支護圖Fig.10 Support diagram of irregular roadway with reinforce anchor cables and large diameter drilling pressure relief

3.1 巷道變形監測

為了評估“高補低卸”的異形斷面非對稱支護技術應用效果，在52604 工作面運巷回采區異形巷道60 m、80 m 和100 m 處分別設置巷道變形監測點，監測結果如圖11 所示。由圖11 可知，回采初期，異形巷道變形量總體較小，當工作面推進至15～20 m 時，異形巷道變形量出現明顯增加。隨著工作面持續推進，異形巷道變形量均逐漸增加，其中，異形巷道底板變形最為明顯，其次為巷道低幫，再次為巷道高幫，最后是巷道頂板。當工作面推進至100 m時，巷道底板、頂板、低幫和高幫均達到最大值，分別為294.1 mm、109.6 mm、213.9 mm 和188.1 mm。但是相較于原支護方案，巷道變形量明顯減小。

圖11 異形巷道變形監測圖Fig.11 Deformation monitoring map of irregular roadway

3.2 頂板離層監測

在52604 工作面運巷回采區超前工作面15 m、30 m、45 m、60 m 和75 m 處布置深淺離層監測點，同時監測75 m 處布置的監測點60 d 內異形巷道頂板離層情況，如圖12 所示。由圖12 可知，測點距離工作面越遠，異形巷道頂板離層量越小，其中工作面超前15 m 處異形巷道頂板離層最為嚴重，深淺基點離層量分別為8.36 mm 和13.06 mm，而工作面超前75 m處異形巷道頂板離層量最小，深淺基點離層量分別為1.21 mm 和1.17 mm。此外，就75 m 處頂板離層監測情況可知，隨著時間增加，異形巷道頂板離層量逐漸增加，但深淺基點離層量僅26.84 mm 和17.85 mm。因此，“高補低卸”的異形斷面非對稱支護技術應用效果顯著。

圖12 異形巷道頂板離層監測Fig.12 Monitoring of roof separation in irregular roadway

4 結 論

1）通過對巷道變形量及破壞特征分析，將工作面異形巷道變形量工作面運巷和風巷進行區域劃分，發現頂板下沉曲線呈現明顯非對稱形態，高幫附近頂板的支承應力大于低幫附近頂板支承應力，此外，異形巷道變形機理存在明顯差異性，即高幫鼓包主要是因為支承應力導致高幫煤柱強度弱化，而低幫和底板的礦壓顯現特征主要是由于支承應力較大，應力集中系數高。

2）利用數值模擬方法，分析三個分區的異形巷道應力場分布規律，發現運巷回采區應力場分布最為復雜，表現出非對稱狀態，即頂板處于應力釋放狀態；低幫應力集中程度隨距離增加而增加；高幫應則表現出明顯卸載特征。

3）針對工作面異形巷道圍巖變形機理不同，提出以補強錨索和大直徑鉆孔卸壓為基礎的“高補低卸”異形斷面非對稱支護技術，即在巷道高幫及頂板處采用長錨索進行補強支護，加固煤巖體，而對應力較為集中的底板和低幫采用大直徑鉆孔進行卸壓，將應力向遠場轉移。

4）以烏蘭木倫煤礦52604 工作面為工程背景，開展傾斜厚煤層“高補低卸”的異形斷面非對稱支護關鍵參數設計，并進行現場應用，圍巖變形量得到有效控制，方案效果顯著。