缓倾斜煤层软岩巷道变形规律及围岩控制研究

我国缓倾斜煤层软岩矿井中最具代表性的矿井之一就是宁东矿区枣泉煤矿。该矿井煤层顶底板岩层均属为软岩。受围岩破碎和煤层倾角的影响导致围岩的变形情况较为严重，容易出现缓倾斜煤层软岩巷道问题。为了解决上述问题本文采取FLAC3D数值分析方法对某煤矿缓倾斜煤层软岩巷道非对称变形破坏情况进行分析，探究出倾斜煤层软岩巷道围岩的非对称变形规律。在此基础上使用多介质联合支护技术，发挥岩体和锚杆的共同作用，形成“压缩拱”，将顶板上部形成的自然平衡拱沿层理向巷道上帮顶角的发展问题明显改善，极大推动了生产实践的发展。

1. 工程概况

枣泉煤矿平均煤层厚度为3m，结构较为简单，全井均可开采属于稳定性煤层。1.32t/m3为煤的视密度平均值，煤层倾角15°，可见该煤层属于缓倾斜煤层。细砂岩分布在直接顶板上，直接顶板上部为粗粒砂岩，底板是煤岩互层，异矩形断面为回风巷的特征，宽度和中线高度分别为3.5m、3.25m。采用的支护方式为联合支护方式，所使用到的支护结构有锚杆、锚索和金属网。其中的顶板锚杆为Ⅱ级左旋螺纹无纵筋钢筋，规格为Φ20mm×2450mm,150mm×150mm×10mm的Q235钢是托盘结构，采用MSK2350型树脂锚固剂锚固锚杆，每根锚杆三支，≥50kN为锚固力，≥120N·m为转矩，矩形布置锚杆，800mm×800mm为间排距。端部使用托盘和400mm×200mm×40mm的柳木托盘，巷道采煤侧帮部锚杆使用玻璃钢锚杆，规格为Φ18mm×1550mm，间排距与锚杆布置间排距一样。左旋螺纹钢锚杆为非采煤侧帮部锚杆，规格为Φ20mm×2450mm，间排距也是800mm×800mm。10mm×150mm×150mm的Q235钢为托盘主要材料，MSK2350型树脂锚固剂锚固使用方法是每根锚杆一支。使用规格1200mm×2400mm、网格为100mm×100mm的金属网，采用绑扎方式连接各个网片，100mm为塔接长度，采用双道绑扎方式，使用铁丝规格为14#。锚索排距为2.4m，将700mm预应力钢绞线作为锚索结构，规格为Ф17.8mm,MSK2350型树脂锚固剂锚固使用方法是每根锚杆五支。300mm×300mm×16mm的Q235钢为托盘主要材料。

2. FLAC3D数值模拟

数值计算模型长度为300m、宽度为100m、高度为90m，限制水平移动的是在模型侧面，限制垂直移动的是在模型底面，软化模型代表煤层，摩尔—库伦模型代表岩层。

(1)围岩垂直应力分布情况

巷道在没有支护的情况下会受到开挖带来的扰动，此时应力会发生变化，重新分布应力，最终会形成应力降低区。此时得到明显释放的为顶底板垂直压力，压应力集中的位置在两帮处，并呈现纵深发展的趋势。不对称分布是顶板应力轮廓主要分布特征，其原因在于煤岩层倾斜特点的影响，自然平衡拱会在上部岩层上形成，并沿着煤层层理向着巷道上帮顶角发展。为了改善巷道围岩应力分布情况采用锚索网进行支护，经巷道周边的围岩应力增大，将应力释放范围缩小，由此将围岩能力提升，起到进一步稳定巷道的作用[1,2]。

(2)位移分布特征

顶板中部、底板右侧围岩在煤岩层倾角的影响下，位移变形量呈现出较大的变化，位移轮廓会发生明显的变化，呈现出向煤层倾向发展的趋势，不对称性是位移呈现出来的明显特征。锚索网支护实施后位移分布形状会发生明显变化，顶板位移和两帮位移减小幅度较为明显，其中两帮位移减少了90mm，顶板位移减少了69mm，底板位移变化不明显。但是整体位移矢量变化相比于没有支护前表现的均匀性更好。

(3)围岩塑性区分布情况

塑性区在煤层倾角的影响下会呈现出岩煤层倾向发育的特征，其中表现最为明显的是巷道两帮。巷道塑性的破坏影响力在不同的巷道位置是不一样的，其中剪切破坏主要发生在两帮位置，张拉破坏主要发生在巷道顶底板处。顶部塑性区在锚索网支护情况下得到了明显的控制，表现最为明显的是厚度的变化，两帮塑性区厚度减小幅度较大，并且该减小幅度在锚杆的控制范围之内。分析锚索网支护能对顶板起到很好加固作用的原因在于岩体在锚网的作用下形成一个整体的锚固平衡拱结构，加上顶板锚索可以作用到破坏区外的稳定岩层上，对下步锚固平衡拱结构起到稳定的作用[3,4]。

3. 分析巷道矿压观测情况

(1)表面位移特征分析

表面位移观测中常采用的观测方法为“十字布桩”法，采用此种观测方法可以将巷道顶板下沉量和两帮移近量更加直观地描述出来。其中距工作面10m处为观测站布置的位置，观测端面的设置数量一般为3个，将观测端面设置在测站内，观测端面的间距设置为平均1.5m。结合观测点得出的数据对巷道顶板下沉量、工作面推进距离和两帮移近量之间的关系采用曲线图进行描述[5]。其中各测点顶板下沉量变化曲线和各测点两帮移近量变化曲线见图1和图2。

从上图中可以看出各个测点的顶板下沉量最大值和两帮移近量最大值分别为25mm和22mm，和观测结果与数值模型结果存在较高的相似性，其中两帮移近量和顶板下沉量变化最大的是在距离掘进工作面100m范围之内，可以看出该阶段下沉曲线坡度较大，随后又变得较为平缓，可见掘进作用对巷道变形情况影响最大的是距离工作面前100m左右。

(2)煤体应力测试分析

煤体应力的测试采用KSE-II-I型钻孔应力计，本次研究中可以发现安装钻孔应力计不久之后就出现了短暂的升压情况，随后又呈现出降卸压的情况，分析升压原因是煤体与应力计间空隙在煤体变形的情况下逐渐减小，在矿压明显的情况下煤体被破坏，煤体内出现滑移情况。分析压力下降的原因在于工作面渐渐远去，掘进影响力度减小，变形压力也渐渐减小，直到趋于稳定[6]。

4. 结语

综上所述，防止缓倾斜煤层软岩巷道不对称变形的措施，可以根据现场实际观测情况发现防止缓倾斜煤层软岩巷道不对称变形可以采用锚索网多介质联合支护，这样可以在巷道变形不对称的影响下形成锚杆、锚索一同支护的情况，且将木托盘加固在巷道变形较大区域的锚索和锚杆上，并设置锚索托梁可增强围岩成拱的作用效果。

摘要：本文采用FLAC3D数值分析方法对某煤矿缓倾斜煤层软岩巷道非对称变形破坏情况进行分析，从中得出倾斜煤层软岩巷道围岩的非对称变形规律，并将该规律与现场矿压监测的结果进行比较，进行两者之间的验证。为了缓解顶板上部形成的自然平衡拱沿煤层层理向巷道上帮顶角发展的问题，本次研究中采用多介质联合支护技术，在锚杆与岩体的共同作用下形成“压缩拱”，充分利用了锚网—围岩整体力学效应，避免了巷道围岩变形和破坏的问题，可以更好服务于生产实践的发展。

关键词：缓倾斜煤层软岩巷道,变形规律,数值模拟,联合支护,锚网支护

参考文献

[1] 高云峰.缓倾斜煤层软岩巷道变形规律及围岩控制研究[J].矿业安全与环保,2017,44(4):53-56,59.

[2] 代沛.缓倾斜中厚煤层采动应力场时空演化及覆岩破裂规律[D].重庆:重庆大学,2015.

[3] 刘倡清.综放变宽度煤柱回采巷道围岩变形规律及其控制技术[D].陕西:西安科技大学,2011.

[4] 张礼.大倾角煤层沿空留巷围岩稳定性原理及控制技术[D].山东:山东科技大学,2015.

[5] 康钦容.缓斜煤层群采动影响下底板软岩巷道围岩稳定性控制[D].重庆:重庆大学,2011.

[6] 王飞.软底中厚煤层普采工作面矿压显现规律研究[D].山西:太原理工大学,2010.