李 昊，李婭琪，鄭鑫健

（華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201）

0 引 言

煤炭是我國最主要的能源，煤炭儲量雖然豐富，但儲煤地層狀況復(fù)雜多變。其中傾斜煤層開采難度大，巷道支護難度高[1]。相較于近水平煤層，傾斜煤層開挖巷道后的圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)出非對稱特征，嚴(yán)重影響了巷道的穩(wěn)定性。針對這一情況，國內(nèi)外學(xué)者對傾斜煤層巷道支護技術(shù)進行了大量研究。陳新年[2]針對傾斜煤層直角梯形巷道圍巖出現(xiàn)非對稱變形破壞問題給出了傾斜煤層直角梯形巷道圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律及破壞特征，并依次設(shè)計了合理的支護系統(tǒng)；沈攀[3]針對傾斜煤層巷道圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜等問題，對傾斜煤層直角梯形巷道支護技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，并根據(jù)結(jié)果提出了具有針對性的非對稱支護方案；劉鵬[4]分析了巖層自重應(yīng)力傾斜方向的分量和水平應(yīng)力對巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的影響，然后根據(jù)圍巖應(yīng)力分布提出相應(yīng)的支護措施；熊咸玉[5]采用理論分析、數(shù)值模擬計算、室內(nèi)相似模擬試驗等方法對傾斜煤層直角梯形巷道圍巖應(yīng)力非對稱分布特征進行研究，可為支護方案的選取提供科學(xué)依據(jù)；魏思祥[6]針對傾斜煤層巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律問題，建立了不同巖層傾角的數(shù)值計算模型，計算分析了傾斜煤層在動壓作用下的圍巖應(yīng)力變化過程，通過對計算結(jié)果的分析得知，巖層傾角越大，不對稱系數(shù)越大；王鵬舉[7]研究表明傾斜煤層沿空掘進巷道圍巖呈明顯不對稱受力狀態(tài)及變形破壞特征，巷道斷面與巖層傾斜方向成鈍角的部位首先產(chǎn)生變形破壞，隨后產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，巷道的其他部位破壞，最后造成整個巷道破壞失效。顏景玉[8]為解決急傾斜厚煤層軟巖支護難題，通過調(diào)研分析、理論計算、數(shù)值模擬，提出采用“高強錨桿+高預(yù)緊力錨索+ 金屬網(wǎng)+W 鋼帶”做基本支護，特殊地點做加強支護，數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測表明，該支護方案有效控制了巷道頂板及兩幫變形，支護一次到位。

本文在現(xiàn)有的支護技術(shù)上，以山西黃巖匯5 號傾斜煤層為工程背景，對5301 工作面的直角梯形回風(fēng)巷道進行數(shù)值模擬研究，通過計算分析不同支護參數(shù)下的圍巖應(yīng)力云圖，得出最優(yōu)的支護方案，并依據(jù)施工后的礦壓觀測結(jié)果進行驗證，從而為相似的地形工作面直角梯形回風(fēng)巷道施工，提供參考依據(jù)。

1 概 況

5301 工作面位于5 號煤層，埋深557 ～621 m，平均埋深為584 m；整體傾角27°～35°，平均傾角為29°，根據(jù)劃分屬于傾斜煤層。可采煤層煤質(zhì)好，儲量大，有少許夾矸，厚度為5.24 ～6.61 m，平均厚度為5.53 m；老頂與老底以粉砂巖、中粒砂巖為主，直接頂與底板以泥巖為主?；仫L(fēng)巷巷道斷面為直角梯形，設(shè)計凈寬為4 200 mm，低幫為3 000 mm。

2 不同支護參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果

在考慮實際工程條件及簡化計算的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)數(shù)值模擬的文獻[9-11]，采用FLAC3D 對5301直角梯形巷道不同支護參數(shù)進行數(shù)值模擬計算。本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb 模型，模型尺寸為：長×寬×高=200 m×50 m×57.18 m。直角梯形巷道埋深為584 m，傾角為29°。具體模型巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanics parameters of model rock

2.1 錨索排布方式的數(shù)值模擬結(jié)果

為了分析錨索排布方式對圍巖應(yīng)力產(chǎn)生的影響，使用FLAC3D 建立計算模型，分別對錨索呈“1-1-1”排布與“2-2-2”排布及“3-3-3”排布的模型進行數(shù)值計算，得出計算結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 錨索呈“1-1-1”排布時的應(yīng)力云圖Fig.1 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of'1-1-1'

圖2 錨索呈“2-2-2”排布時的應(yīng)力云圖Fig.2 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of'2-2-2'

圖3 錨索呈“3-3-3”排布時的應(yīng)力云圖Fig.3 The stress cloud diagram with the anchor cable arranged of'3-3-3'

如圖1 所示，當(dāng)錨索呈“1-1-1”排布時，由垂直應(yīng)力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應(yīng)力在2～7 MPa，低幫側(cè)頂板出現(xiàn)明顯的高應(yīng)力區(qū)，不利于巷道頂板的穩(wěn)定，巷道兩幫的不平衡集中應(yīng)力最大值為17.61 MPa，過高的集中應(yīng)力會影響兩幫的穩(wěn)定；同時由水平應(yīng)力云圖可知，巷道高幫側(cè)頂板所受水平應(yīng)力的最大值為18.04 MPa，且較大的高應(yīng)力區(qū)明顯不利于頂板的穩(wěn)定，嚴(yán)重可能導(dǎo)致冒頂事故。

如圖2 所示，當(dāng)錨索呈“2-2-2”排布時，由垂直應(yīng)力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應(yīng)力在2～6 MPa，相比圖1（a） 低幫側(cè)頂板無明顯的高應(yīng)力區(qū)，頂板范圍內(nèi)受力完整連續(xù)，均勻的圍巖應(yīng)力有利于頂板穩(wěn)定，巷道兩幫的不平衡集中應(yīng)力最大值為16.66 MPa，集中應(yīng)力明顯下降有利于兩幫的穩(wěn)定；由水平應(yīng)力云圖可知，相比圖1（b） 巷道高幫側(cè)頂板所受水平應(yīng)力最大值下降為17.41 MPa，但高應(yīng)力區(qū)仍較大，不利于頂板的穩(wěn)定。

如圖3 所示，當(dāng)錨索呈“3-3-3”排布時，由垂直應(yīng)力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應(yīng)力在2～6 MPa，相比圖2（a） 頂板范圍內(nèi)受力均勻區(qū)域進一步擴大，有利于頂板穩(wěn)定。巷道兩幫的不平衡集中應(yīng)力最大值為16.13 MPa，集中應(yīng)力下降有利于兩幫的穩(wěn)定；同時由水平應(yīng)力云圖可知，相比圖2（b） 巷道高幫側(cè)頂板所受水平應(yīng)力下降12～14 MPa，且高應(yīng)力區(qū)明顯減小，有利于頂板的穩(wěn)定。

根據(jù)圖1、圖2、圖3 可知，錨索呈“3-3-3”排布時，巷道圍巖相比錨索排布呈“1-1-1”、“2-2-2”排布時受力更加均勻，更利于巷道的穩(wěn)定，方便后續(xù)施工及維護。

2.2 錨索角度的數(shù)值模擬結(jié)果

為了分析錨索角度對圍巖應(yīng)力產(chǎn)生的影響，使用FLAC3D 建立計算模型，分別對錨索垂直底板時與錨索垂直頂板時的模型進行數(shù)值計算，得出計算結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 錨索垂直底板時的應(yīng)力云圖Fig.4 The stress cloud diagram of anchor cable vertical floor

圖5 錨索垂直頂板時的應(yīng)力云圖Fig.5 The stress cloud diagram of anchor cable vertical roof

如圖4 所示，當(dāng)錨索垂直底板時，由垂直應(yīng)力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應(yīng)力在2 ～8 MPa，低幫側(cè)頂板出現(xiàn)明顯的高應(yīng)力區(qū)，不利于巷道頂板的穩(wěn)定，巷道兩幫的不平衡集中應(yīng)力最大值為16.45 MPa，過高的集中應(yīng)力會影響兩幫的穩(wěn)定；同時由水平應(yīng)力云圖可知，巷道高幫側(cè)頂板所受水平應(yīng)力最大值為18.06 MPa，且較大的高應(yīng)力區(qū)明顯不利于頂板的穩(wěn)定，嚴(yán)重可能導(dǎo)致冒頂事故。

如圖5 所示，當(dāng)錨索垂直頂板時，由垂直應(yīng)力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應(yīng)力在2 ～6 MPa，相比圖4（a） 頂板范圍內(nèi)受力完整連續(xù)，均勻的圍巖應(yīng)力有利于頂板穩(wěn)定，巷道兩幫的不平衡集中應(yīng)力最大值為16.01 MPa，集中應(yīng)力下降有利于兩幫的穩(wěn)定；同時由水平應(yīng)力云圖可知，相比較圖4（b） 巷道高幫側(cè)頂板所受水平應(yīng)力下降為12 ～16 MPa，且高應(yīng)力區(qū)明顯減小，有利于頂板的穩(wěn)定。

根據(jù)圖4、圖5 可知，錨索垂直頂板時，巷道圍巖相比錨索垂直底板時受力更加均勻，更利于巷道的穩(wěn)定，方便后續(xù)施工及維護。

2.3 頂板錨桿數(shù)量的數(shù)值模擬結(jié)果

為了分析頂板錨桿數(shù)量對圍巖應(yīng)力產(chǎn)生的影響，使用FLAC3D 建立計算模型，分別對頂板錨桿數(shù)量為4、5、6 時的模型進行數(shù)值計算，得出計算結(jié)果如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 頂板錨桿數(shù)量為4 時的應(yīng)力云圖Fig.6 The stress cloud diagram with 4 roof bolts

圖7 頂板錨桿數(shù)量為5 時的應(yīng)力云圖Fig.7 The stress cloud diagram with 6 roof bolts

圖8 頂板錨桿數(shù)量為6 時的應(yīng)力云圖Fig.8 The stress cloud diagram with 6 roof bolts

由圖6 可知，當(dāng)頂板錨桿數(shù)量為4 時，由垂直應(yīng)力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應(yīng)力在2 ～7 MPa，低幫側(cè)頂板出現(xiàn)明顯的高應(yīng)力區(qū)，不利于巷道頂板的穩(wěn)定，巷道兩幫的不平衡集中應(yīng)力最大值為16.43 MPa，過高的集中應(yīng)力會影響兩幫的穩(wěn)定；同時由水平應(yīng)力云圖可知，巷道高幫側(cè)頂板所受水平應(yīng)力最大值為17.82 MPa，且較大的高應(yīng)力區(qū)明顯不利于頂板的穩(wěn)定。

由圖7 可知，當(dāng)頂板錨桿數(shù)量為5 時，由垂直應(yīng)力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應(yīng)力在2 ～6 MPa，相比圖6（a） 低幫側(cè)頂板無明顯的高應(yīng)力區(qū)，頂板范圍內(nèi)受力完整連續(xù)，均勻的圍巖應(yīng)力有利于頂板穩(wěn)定。巷道兩幫的不平衡集中應(yīng)力最大值為16.23 MPa，集中應(yīng)力下降有利于兩幫的穩(wěn)定；同時由水平應(yīng)力云圖可知，相比圖6（b） 巷道高幫側(cè)頂板所受水平應(yīng)力最大值下降為17.66 MPa，但高應(yīng)力區(qū)仍較大，不利于頂板的穩(wěn)定。

由圖8 可知，當(dāng)頂板錨桿數(shù)量為6 時，由垂直應(yīng)力云圖可知，巷道頂板受到的垂直應(yīng)力在2 ～6 MPa，相比圖7（a） 頂板范圍內(nèi)低應(yīng)力區(qū)域進一步擴大，有利于頂板穩(wěn)定，巷道兩幫的不平衡集中應(yīng)力最大值為16.21 MPa，集中應(yīng)力下降有利于兩幫的穩(wěn)定；同時由水平應(yīng)力云圖可知，相比圖7（b） 巷道高幫側(cè)頂板所受水平應(yīng)力下降為14 ～16 MPa，且高應(yīng)力區(qū)明顯減小并遠離頂板，有利于頂板的穩(wěn)定。

根據(jù)圖6、圖7、圖8 有以下結(jié)論：頂錨桿數(shù)量為6 時，巷道圍巖相比頂錨桿數(shù)量為4、5 時受力更加均勻，更利于巷道的穩(wěn)定，方便后續(xù)施工及維護。

綜上所述，5301 直角梯形巷道的支護方案參數(shù)可優(yōu)化為錨索呈“3-3-3”排布且垂直于頂板，頂錨桿數(shù)量為6。

3 工程應(yīng)用

3.1 巷道支護方案

根據(jù)現(xiàn)場施工要求并參考類似方案[12-13]，5301工作面直角梯形巷道設(shè)計參數(shù)如下。

頂錨桿參數(shù)為φ24 mm×2 600 mm 左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，施工間排距為800 mm×800 mm，每排布置6 根錨桿。幫錨桿參數(shù)為φ24 mm×2 600 mm 左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿，施工間排距為800 mm×800 mm，低幫每排布置4 根錨桿，高幫每排布置7 根錨桿。錨索采用φ17.8 mm×5 250 mm 高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索施工間排距為800 mm×1 600 mm，每排布置3 根錨索。具體支護設(shè)計如圖9 所示。

圖9 5301 工作面直角梯形巷道支護示意Fig.9 Right angle trapezoidal roadway support in No.5301 Face

3.2 現(xiàn)場礦壓觀測

為驗證優(yōu)化后支護系統(tǒng)對巷道圍巖的控制效果，選取巷道30 m 距離作為相應(yīng)的觀測段，通過十字布點法安裝激光測距儀，對圍巖表面位移狀況進行觀測，根據(jù)現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果確定5301 工作面直角梯形巷道支護設(shè)計是否合理。巷道表面位移隨工作面推進距離變化如圖10 所示。

圖10 5301 工作面直角梯形巷道表面位移監(jiān)測曲線Fig.10 Surface displacement monitoring curve of right angle trapezoidal roadway in No.5301 Face

由圖10 可知，在巷道開始推進后，頂板位移在0 ～70 m 時快速上升，在70 ～100 m 時趨于穩(wěn)定，在100 m 處達到最大值78 mm 且趨于穩(wěn)定；兩幫位移在0 ～60 m 時快速上升，在60 ～90 m 時趨于穩(wěn)定，在90 m 處達到最大值61 mm 且趨于穩(wěn)定。整體過程穩(wěn)定，未出現(xiàn)冒頂片幫現(xiàn)象，且變形量處于允許范圍之內(nèi)，說明優(yōu)化后的支護系統(tǒng)可以合理有效的控制圍巖，實現(xiàn)安全高效的掘進作業(yè)。

4 結(jié) 論

（1） 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，當(dāng)錨索呈“3-3-3”排布且垂直于巷道頂板時，可以有效控制圍巖，降低圍巖應(yīng)力并消除高應(yīng)力區(qū)，有利于直角梯形巷道的穩(wěn)定。故優(yōu)化后的錨索參數(shù)應(yīng)為呈“3-3-3”排布與垂直巷道頂板。

（2） 當(dāng)頂錨桿數(shù)量為6 時，可以有效控制圍巖，降低圍巖應(yīng)力并消除高應(yīng)力區(qū)，有利于直角梯形巷道的穩(wěn)定。優(yōu)化后的頂錨桿參數(shù)應(yīng)為6 根。

（3） 將優(yōu)化后的支護參數(shù)應(yīng)用于實際施工，并通過現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果可知頂板最大位移為78 mm，幫最大位移為61 mm。變形量均處于允許范圍內(nèi)，即優(yōu)化后的直角梯形巷道支護參數(shù)是合理有效的。