楊勝利，劉傳義，李 明，劉 垚，許金夢，岳 豪

(中國礦業(yè)大學(北京)能源與礦業(yè)學院，北京 100083)

近年來隨著賦存條件較好的優(yōu)質(zhì)煤炭資源被逐步采出，煤礦開采向西部和深部轉(zhuǎn)移，開采難度逐漸增大[1-3]，遺留煤炭資源復采逐漸被重視起來，因此，很多礦井面臨著上層遺留煤炭資源復采的問題。對于上行開采等特殊條件下的礦井，即使采用先進的支護技術(shù)手段，仍然可能出現(xiàn)巷道維護困難等技術(shù)難題。因此，選擇合適的斷面形狀對巷道穩(wěn)定及后期維護難度有著重要影響。

國內(nèi)外學者針對上行開采及不同條件下的合理斷面形狀展開了大量研究，盧鑫等[4]通過理論分析和現(xiàn)場觀測得到了上行開采工作面受下部工作面的影響規(guī)律；孟慶彬等[5]采用數(shù)值模擬研究了深部高應(yīng)力軟巖條件下6種斷面形狀巷道的圍巖變形特征與塑性區(qū)分布規(guī)律；韓現(xiàn)民等[6]通過數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗對比分析了馬蹄形、大曲率邊墻、似圓形斷面下的隧道支護受力與圍巖變形特征，發(fā)現(xiàn)似圓形斷面可有效控制圍巖變形量和變形速率；高富強[7]研究發(fā)現(xiàn)圓拱形巷道圍巖穩(wěn)定性明顯優(yōu)于矩形巷道，且矢跨比為0.2時對巷道圍巖應(yīng)力狀況有明顯改善；張農(nóng)等[8]采用數(shù)值模擬分析了橢圓形斷面巷道不同側(cè)壓系數(shù)下的塑性區(qū)范圍，提出了上行開采卸壓區(qū)頂板巷道維護的基本原則和控制方法；李桂臣等[9]對6種巷道斷面形狀進行了優(yōu)化研究，并提出了“等效開挖”理念和“無效加固區(qū)”的概念；縱帥[10]利用VR Mine軟件平臺實現(xiàn)了煤礦巷道斷面的參數(shù)化設(shè)計；殷帥峰等[11]研究了矩形斷面尺寸效應(yīng)對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響；左建平等[12]通過調(diào)查大量巷道破壞實例，分析了圓形與矩形斷面巷道圍巖受力特征與應(yīng)力分布，提出了巷道等強支護模型；董紅娟等[13]采用數(shù)值模擬開展了高應(yīng)力軟圍巖條件下梯形和拱形斷面對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)梯形巷道變形的主要原因是頂板下沉而拱形巷道變形原因在于兩幫移進和底鼓；胡磊等[14]采用ANSYS模擬分析了不同斷面形狀和不同跨度下巷道圍巖的變形情況，得出矩形斷面對巷道圍巖水平和垂直位移影響最大；楊雙林[15]采用巖土計算軟件對厚中砂巖中大斷面巷道形狀進行了優(yōu)化設(shè)計；李小裕[16]等對復雜采動條件下不同斷面巷道圍巖的穩(wěn)定性進行了分析，得到了不同斷面巷道掘進時的圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況。

并且對上行開采及不同條件下的巷道斷面形狀研究較為成熟，但研究成果多針對水平、單一煤層傳統(tǒng)下行開采條件下得出，針對緩傾斜煤層上行開采巷道斷面形狀的合理選擇及支護參數(shù)研究較少，因此，本文以神華寧煤羊場灣煤礦為工程背景，運用理論計算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場驗證等方法，合理確定了羊場灣煤礦上行開采巷道斷面形狀與支護參數(shù)，為工程背景相似的礦井提供理論依據(jù)。

1 工程背景

羊場灣煤礦位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn)境內(nèi)，井田內(nèi)賦存有一煤、二煤等多層優(yōu)質(zhì)煤炭資源，其中一層煤厚度平均1.85m，傾角8°～12°，二層煤厚度平均6.91m，傾角11°～13°，一煤和二煤之間層間距平均15.4m，屬近距離煤層，頂?shù)装鍘r層以砂巖、粉砂巖為主，f=3～4。當前12采區(qū)一煤下的二煤已開采完畢，為提高資源回收率，擬對采空區(qū)上方一煤進行回采，需要在12采區(qū)二煤采空區(qū)上方掘進一煤探巷，探查上覆一煤及其頂、底板賦存情況。一煤探巷共設(shè)計1#、2#兩條探巷，位于Y120201工作面采空區(qū)上方，與研究上行開采條件下采空區(qū)上方掘進巷道圍巖應(yīng)力分布與破壞特征。Y120201工作面為12采區(qū)首采工作面，兩條探巷分別與Y120201工作面回風巷、運輸巷內(nèi)錯20m，探巷與工作面空間相對位置如圖1所示。

圖1 工作面及探巷位置

2 上行開采覆巖破壞范圍

2.1 “兩帶”理論計算

二煤120201綜采工作面采高5.5m，頂板為粉砂巖、細砂巖，f：3～4，屬于中硬巖層，可選用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中的經(jīng)驗公式，計算二煤開采后“三帶”的分布范圍，進而分析一煤及其頂?shù)装遒x存情況。

垮落帶高度Hk：

裂隙帶高度Hli：

式中，∑M為累計采厚，m；±項為中誤差。

帶入數(shù)據(jù)可得二煤開采后，采空區(qū)上方垮落帶高度為10.06～14.46m，裂隙帶高度為38.75～49.95m。

2.2 覆巖破壞范圍實測

為探明二煤開挖后一煤及其頂?shù)装遒x存情況，在現(xiàn)場開展覆巖破壞鉆孔窺視，窺視結(jié)果如圖2所示。隨著窺視深度增大，覆巖破壞未呈現(xiàn)明顯變化規(guī)律，局部出現(xiàn)環(huán)向裂隙(4.8m處)，局部圍巖較為完整(20m處)，大部分圍巖較為破碎，甚至出現(xiàn)錯位和離層(9.3m、16.6m、27.8m、33.5m。整體來說圍巖較為完整性較低，局部煤巖層發(fā)生斷裂，圍巖較破碎裂隙發(fā)育，局部松軟易發(fā)生垮落現(xiàn)象。且根據(jù)窺視結(jié)果可得，裂隙帶高度在33m以上，與理論計算結(jié)果較為吻合，一煤和二煤之間層間距平均15.4m，故推測一煤位于采空區(qū)上方裂隙帶內(nèi)，上行開采巷道得采掘工程也在裂隙帶內(nèi)開展。

圖2 現(xiàn)場鉆孔窺視情況

3 合理巷道形狀確定數(shù)值模擬

3.1 模擬斷面形狀選擇

當前我國煤礦巷道常用斷面形狀以矩形、梯形、三心拱(微拱形)、直墻半圓拱形為主，查閱相關(guān)專著[17]與文獻[18]，總結(jié)以上各斷面形狀及優(yōu)缺點見表1。

表1 常用巷道斷面形狀優(yōu)缺點及適用范圍

結(jié)合礦井二煤已采巷道斷面形狀選擇實際情況，參考表1巷道斷面形狀優(yōu)缺點及適用范圍，本文進一步選取矩形、微拱形、直墻半圓拱形三種巷道斷面開展數(shù)值模擬。

3.2 模型建立與參數(shù)確定

為滿足模擬二煤采動后在采空區(qū)上方開掘巷道的研究需求，對照探巷設(shè)計位置，選取Y120201工作面及其上方巖層為數(shù)值模擬對象，研究不同斷面巷道在采空區(qū)上方的穩(wěn)定性。緩傾斜煤層中同時建立工作面與不同斷面巷道網(wǎng)格劃分較為困難，采用ANSYS軟件進行初步建模，并導入FLAC3D，模型尺寸400m×400m×180m，模擬煤巖層傾角10°，模型共包括486160個單元和504630個節(jié)點，模型底部為固定約束，模型四周為水平固定約束，上部為自由邊界，在模型的上部施加鉛直向下的壓應(yīng)力，模擬上覆巖層的補償應(yīng)力。建立的數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

模型計算依據(jù)摩爾-庫倫屈服準則，模擬煤巖體力學參數(shù)根據(jù)煤層及頂?shù)装鍘r性特征確定，具體參數(shù)見表2。采用雙屈服模型模擬二煤開采后采空區(qū)垮落矸石承載特征，并通過不斷改變雙屈服模型參數(shù)，使模型不斷接近二煤工作面開采采空區(qū)壓實后的實際狀態(tài)[19]，具體參數(shù)見表3。

表2 模擬煤巖層參數(shù)表

表3 模擬采空區(qū)冒落矸石參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬步驟

將三種斷面巷道模型賦相同參數(shù)，計算平衡至初始地應(yīng)力狀態(tài)；對120201工作面進行模擬開挖，采用雙屈服模型填采空區(qū)，計算至平衡，得到二煤開挖后采空區(qū)上方煤巖體的賦存狀態(tài)；對三種不同斷面巷道模擬開挖，計算至平衡，得到巷道的變形及破壞特征。

3.4 數(shù)值模擬分析

對設(shè)計的1#及2#探巷進行了模擬，由于2#探巷埋深較大，地應(yīng)力作用對不同斷面巷道影響的差異更加明顯，故下文主要針對2#探巷進行分析。巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，不同斷面巷道圍巖垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力分布如圖4所示，由垂直應(yīng)力云圖分析可得：巷道開挖后，在巷道四角處形成壓應(yīng)力集中，受煤層傾角影響，應(yīng)力集中呈現(xiàn)明顯非對稱特征，其中巷道左下角及右上角應(yīng)力集中程度與集中范圍較大，明顯大于另外兩角；三種斷面中，矩形巷道四角壓應(yīng)力集中較最為明顯，最大可達約17MPa，微拱形斷面與直墻半圓拱斷面相差不大；由于圍巖變形，在巷道頂?shù)装寮皟蓭?，出現(xiàn)了拉應(yīng)力，三種斷面底板拉應(yīng)力分布范圍相差不大，但頂板中矩形斷面巷道拉應(yīng)力分布范圍最大，微拱斷面次之，直墻半圓拱斷面頂板幾乎不出現(xiàn)拉應(yīng)力。由水平應(yīng)力云圖可得：與垂直應(yīng)力集中類似，在巷道左下角及右上角形成了水平應(yīng)力集中，且巷道左下角應(yīng)力集中程度直墻半圓拱形斷面最小，巷道右上角應(yīng)力集中程度微拱形斷面最小。

圖4 不同斷面巷道應(yīng)力云圖

不同斷面巷道開挖后位移分布如圖5所示，由水平云圖分析可得，巷道開挖后呈現(xiàn)明顯的水平位移特征，巷道兩幫中的煤幫巖性較軟，受力后變形較大，向巷道內(nèi)“擠出”；矩形巷道、微拱形巷道、直墻半圓拱巷道最大水平位移約為144mm、138mm、124mm，直墻半圓拱形兩幫變形移進量最小；由垂直位移云圖分析可得，豎直方向位移主要發(fā)生在巷道頂?shù)装寮皟蓭椭械拿后w中，矩形巷道、微拱形巷道、直墻半圓拱巷道有不同程度的頂板下沉與底板鼓起，變形范圍在0～20mm之間，明顯小于兩幫的變形范圍。

圖5 不同斷面巷道位移云圖

在巷道頂?shù)装寮皟蓭筒贾?條側(cè)線，監(jiān)測巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膽?yīng)力及位移分布如圖6—圖8所示。

圖6 頂?shù)装寮皟蓭痛怪睉?yīng)力分布曲線

圖7 頂?shù)装寮皟蓭退綉?yīng)力分布曲線

圖8 頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏糠植记€

綜上分析，緩傾斜煤層不同斷面巷道仍會在角部產(chǎn)生應(yīng)力集中，但由于煤層角度的存在使應(yīng)力集中產(chǎn)生了非對稱特征，導致左下、右上角部的應(yīng)力集中程度與范圍明顯大于另外兩角，應(yīng)力偏轉(zhuǎn)使其較水平煤層巷道應(yīng)力集中更為嚴重；微拱形與直墻半圓拱形巷道應(yīng)力集中程度及范圍較小，頂板附近應(yīng)力分布較為明顯優(yōu)于矩形巷道；隨距離巷道表面距離增大，巷道頂板及兩幫垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力存在相同規(guī)律，直墻半圓拱巷道圍巖應(yīng)力最大，承載能力最好，微拱巷道次之，矩形巷道最小(底板規(guī)律相反，可能與上行開采有關(guān))；不同斷面巷道呈現(xiàn)明顯水平變形特征，頂?shù)装遄冃畏秶?～20mm，兩幫變形范圍在0～150mm，兩幫移進量明顯大于巷道頂?shù)装遄冃瘟?；隨距離巷道表面距離增大，巷道頂板及兩幫位移量呈現(xiàn)相同規(guī)律，矩形巷道頂板下沉量與兩幫移進量最大，變形最為嚴重，微拱巷道次之，直墻半圓拱巷道變形量最小(底板規(guī)律相反，可能與上行開采有關(guān))。整體來看，已有的不同斷面巷道圍巖穩(wěn)定性的研究成果仍適用上行開采下的緩傾斜煤層，直墻半圓拱形巷道穩(wěn)定性最好，微拱次之，矩形斷面穩(wěn)定性最差。

3.5 巷道斷面確定

綜合以上現(xiàn)場實際情況與數(shù)值模擬結(jié)果，應(yīng)首先優(yōu)化巷道斷面選擇，提高圍巖自承能力，保證上行開采條件下的巷道圍巖穩(wěn)定，故放棄圍巖自承能力與穩(wěn)定性較差的矩形斷面，優(yōu)先選擇穩(wěn)定性較好的直墻半圓拱巷道斷面。現(xiàn)場可在確定直墻半圓拱巷道穩(wěn)定且支護效果較好的情況下，進一步提高斷面利用率，嘗試采用微拱形巷道，并進行最終的巷道斷面確定。

4 現(xiàn)場驗證

為確定合理斷面形狀，現(xiàn)場進行了不同斷面巷道掘進實驗。探巷掘進初期，由于不了解二煤采動影響下一煤的完整性特征，采用穩(wěn)定性最好的直墻半圓拱形斷面配合錨網(wǎng)噴支護形式，為防止圍巖大范圍失穩(wěn)現(xiàn)象，采用U型鋼加強支護。采用上述斷面和支護形式掘進過程中，發(fā)現(xiàn)探巷圍巖變形量很小，圍巖自穩(wěn)能力高于預(yù)期，如圖9(a)所示，巷道表面光滑，無破壞現(xiàn)象。為了降低探巷掘進成本，巷道掘進第二階段，將巷道斷面形狀改為矩形，矩形巷道圍巖自承能力與穩(wěn)定性較差，采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護形式，同時試驗增加工字鋼棚及架設(shè)“一梁二柱”π型鋼棚加強支護，如圖9(b)所示，但架棚影響掘進速度，且后期單體支柱棚維護量大。為了提高探巷掘進效率，再次改變巷道斷面，如圖9(c)所示，將其設(shè)計為三心拱形(微拱)，采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護形式，在頂板破碎段加大注漿壓力，該斷面和支護形式下，探巷滿足穩(wěn)定性需求，在后續(xù)掘進過程中，探巷持續(xù)采用微拱形斷面?，F(xiàn)場巷道斷面演化情況與上文分析結(jié)果較為一致，驗證了分析的合理性。

圖9 現(xiàn)場巷道情況

5 結(jié) 論

1)理論計算了羊場灣煤礦二煤工作面開采后的“兩帶”高度，并通過現(xiàn)場鉆孔窺視對計算結(jié)果進行了驗證，發(fā)現(xiàn)二煤開采后上部圍巖完整性較低，局部煤巖層發(fā)生斷裂，圍巖較破碎裂隙發(fā)育，局部松軟易發(fā)生垮落現(xiàn)象。

2)總結(jié)了矩形、梯形、微拱、直墻半圓拱形等四種巷道斷面形狀的優(yōu)缺點與適用范圍，結(jié)合現(xiàn)場實際情況初步選擇了矩形、微拱、直墻半圓拱形斷面形狀進行數(shù)值模擬。

3)建立了緩傾斜煤層上行開采數(shù)值計算模型，模擬分析了三種斷面巷道在上行開采條件下的受力與變形特征，發(fā)現(xiàn)了上行開采條件下直墻半圓拱型圍巖穩(wěn)定性最好，微拱形次之，矩形最差。

4)結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場驗證，發(fā)現(xiàn)直墻半圓拱形與微拱形都能滿足現(xiàn)場巷道圍巖穩(wěn)定性需要，結(jié)合數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場驗證結(jié)果，確定了羊場灣煤礦微拱形斷面為最優(yōu)斷面。