三软煤层巷道围岩变形机理及支护优化技术研究
发布时间：2021-06-18
摘要：为了解决15101工作面三软煤层巷道围岩变形破坏的问题，在确定巷道顶底板环境的基础上，对三软煤层巷道围岩侧向支承应力分布及变形机理进行了分析。研究表明：三软煤层巷道侧向应力呈现出应力峰值位置远离煤壁、应力最大值降低、侧向支承应力影响范围扩大等特点，巷道发生变形主要是由于力源集中区应力传递导致帮部剪切滑移破坏和底板挤压夹持破坏;建立了巷道围岩受力力学模型，理论分析了巷道围岩在横向变形和纵向变形的应力表达式，得出巷道变形受到巷道支护强度、底板支承能力、煤体应力传递衰减系数和底板剪切滑移等因素的影响。最后，提出了“控制顶板、加固两帮、强化底板和固定滑移”的巷道围岩控制原则，采取“长预应力锚索+帮部加密锚杆+底板注浆”的综合支护方式对巷道围岩进行了支护优化设计，确保了三软煤层巷道的安全稳定。
关键词：三软煤层;围岩变形机理;底板破坏;组合支护;底板注浆
0引言
在地下煤炭开采过程中，由于受到地质环境条件的影响，工作面布置及巷道开采过程中常常会面临硬顶硬底、硬顶软底、软顶软底等顶底板强度差异性问题。特别是在三软煤层围岩环境中，巷道受到软岩自身扩容性、流变性等性质，加上上覆岩层载荷影响和扰动应力作用，使得三软巷道出现了围岩松动破碎、表面变形剧烈、支护结构失效、巷道返修率高等现象，其稳定性和完整性愈来愈差，对安全生产产生较大影响。因此三软煤层巷道的围岩变形及其控制技术越来越受到关注。
袁超等分析了软弱巷道围岩塑性区分布形态与侧压系数、内聚力和摩擦角的影响程度，认为蝶形塑性区受内聚力和摩擦角影响较大，并以实践采用了“锚网喷+全断面中空注浆锚索”分步联合支护技术保证了软弱破碎巷道围岩的稳定性。王凤云基于软弱围岩的剪胀性和软化性，建立了不同性质围岩的剪胀组合模型，研究了中间主应力对围岩塑性区及纵向位移曲线的影响规律，得出中间主应力可以有效抑制塑性区半径和洞壁位移的发展。祁方坤针对综放沿空巷道围岩变形机理及控制技术进行了系统研究，建立了实体煤平面应变流变力学模型，并提出了要与巷道采集活动的变化分阶段加强支护。支光辉等根据达西定律和渗透注浆理论，揭示了三软煤层巷道围岩注浆孔周边孔隙压力分布与饱和度变化规律，得出了侧压系数可以影响浆液扩散范围，从而利用注浆方式可以改变软弱顶板强度。唐建新等认为三软煤层围岩破坏模式为高应力作用下软岩流变变形破坏，软弱围岩的流变松动扩展是导致支护结构失效的主要原因，并提出了新型全长黏结锚固、全封闭护面、顶板多拱有序承载和围岩协同加固技术为核心的支护优化方案。李亮等通过理论计算和数值模拟验证方法，对不同支护条件下三软煤层巷道位移变化及塑性区分布进行了对比研究，采用“锚杆+锚索+液压抬棚”作为最优支护方案并进行了现场成功应用。
本文主要根据顶底板都为泥岩的三软煤层巷道环境，针对巷道变形表现为两帮移进量大、顶板下沉量大，底板底鼓量大的问题，对巷道围岩应力分布及其变形机理进行分析，在原有支护基础上采用优化支护方式加强了巷道支护形式，保证三软煤层巷道的安全稳定。
1工程概况
1.1“三软”煤层工作面概况
15101工作面开采煤层属于太原组下段的15煤层，工作面煤层厚度2.89～3.27m，平均厚度为3.08m，埋深达到350m，工作面走向长1200m，倾斜长150m。15101工作面煤层结构简单，倾角0°～11°，煤层倾角平均5.5°，煤体坚固性系数f=2～3，其中含有1~2层泥岩夹矸，煤层赋存稳定。
工作面煤层直接顶为6.9m厚的砂质泥岩，基本顶为8.0m厚的中砂岩;煤层直接底为7.0m厚的泥岩，基本底为12m厚的中砂岩，煤层顶底板位置关系如图1所示。由于煤层顶板和底板都为强度较低的泥岩，根据煤层所处顶底板关系，15101工作面属于典型的“三软”煤层工作面。
1.2巷道围岩支护及变形情况
根据三软巷道围岩环境及顶底板关系，原始支护采用锚网索联合支护。顶板采用准20mm×2000mm的高强预应力锚杆，间排距为800mm×800mm，并配以柔性金属菱形网;两帮采用准18mm×1800mm高强预应力锚杆，间排距为800mm×800mm，金属网尺寸规格与顶板一致。另外考虑到顶板强度较低，特在顶部布置2根准15.24mm×7000mm的锚索，间排距1600mm×1600mm。
通过对工作面运输巷和轨道巷围岩表面变形量进行监测，巷道变形比较严重，特别是巷道底鼓量较大，其中顶底板最大变形量达到了480mm，两帮最大移近量也已经达到360mm，并且在开采过程中对巷道进行了多次返修。
2三软煤层巷道围岩应力分布及特征变形分析
2.1侧向应力分布形态
“三软”巷道由于受到软顶板、软煤层、软底板的煤岩环境影响，其开挖巷道侧向支承应力影响范围、应力峰值位置及最大应力值等应力分布特征与普通煤层具有较大的区别。三软煤层巷道的围岩应力分布曲线如图2所示。
当巷道所在煤层及其顶底板表现为“三软”特性时，煤层上方基本顶及上覆岩层产生的载荷会在靠巷道侧煤体处产生应力集中，集中应力经过直接顶传递至煤层和软底板。由于“三软”煤层的直接顶和直接底一般由泥岩组成，所以上方集中载荷传递至直接顶和直接底时会分散一小部分应力，导致其应力分布形态发生变化。
由图2中可知，曲线1为三软煤层侧向应力分布形态，曲线2为普通硬顶煤层侧向应力分布形态。对比1、2这2条曲线，在低强度软直接顶对上覆集中载荷进行分散的作用下，使其应力分布曲线的峰值位置向煤体内部移动，移动增量Δa=a1-a2(a1、a2分别为三软煤层和普通煤层的应力峰值位置到巷道间距);应力最大值受软直接顶和直接底的影响，导致最大承载能力下降，降低幅度Δb=b1-b2(b1、b2分别为三软煤层和普通煤层的最大侧向应力值);侧向支承应力影响范围有所扩大，扩大范围Δc=c1-c2(c1、c2分别为三软煤层和普通煤层在煤壁侧的支承应力影响范围)。
2.2巷道围岩变形原因分析
结合三软煤层巷道侧向应力分布曲线形式，对巷道围岩变形特征进行分析，如图3所示。
在巷道上方应力载荷作用下，巷道靠煤壁侧依次形成围岩破碎区、围岩影响区和原岩应力区。按照采场上覆岩层运动断裂规律，在巷道侧煤体上方形成了力源集中区，力源集中区的应力沿着煤体向下传递，加上原岩应力区侧向应力的叠加作用，使得破碎区煤体受到顶底板的横向剪切滑移影响，极易发生破坏，导致煤壁片帮发生，巷道两帮移近量增大。集中应力经煤体传递至直接底时，由于直接底强度较低，容易发生破坏，在应力和基本底抵抗力的夹持作用下，会向应力释放区转移，当巷道底板支护强度达到极限强度时，就会发生底鼓破坏，造成巷道变形。
3三软巷道围岩变形机理分析
3.1三软巷道围岩力学模型建立
根据回采巷道围岩破坏特征及变形方式，结合三软煤层围岩应力分布曲线，将煤体破碎区和影响区总称为塑性破坏区域，煤体及顶底板处于极限平衡状态，将巷道靠煤体侧部分和底板分别作为研究对象，建立如图4所示的力学模型。
相关期刊推荐：《煤炭技术》于1982年创刊。主要学科优势为煤矿机电、开采、安全、选煤、地质及煤炭化工等新技术、新成果报道。在国内具有举足轻重地位。主要栏目：采矿与井巷工程，地测技术与工程，安全技术与工程，煤矿机电与信息化，煤炭加工与利用，交流与探讨，管理工程与决策读者对象：主要是煤炭及其相关行业的大专院校师生、科研院所及工矿企业工程技术人员和管理人员，覆盖国外多个国家和地区，遍布全国各厂矿企业、政府部门、图书馆、信息中心、资料收藏室等。
4三软巷道支护优化设计
4.1巷道围岩支护控制原则
根据以上理论分析，对15101工作面三软煤层巷道围岩变形进行控制主要包括4个方面：
(1)控制顶板三软巷道顶板强度较低，应加强顶板的支护强度，采用预应力长锚索等防治软弱直接顶出现离层及冒顶现象。
(2)加固两帮巷道两帮受到上覆垂直应力的挤压作用塑性区较大，应加大巷道两帮支护密度和支护强度，缩小锚杆支护间距，加大支护面积。
(3)强化底板巷道底鼓是三软煤层围岩变形的主要特征之一，要增加底板岩层的抗弯强度，提高底板抵抗水平应力的能力。
(4)固定滑移实体煤和煤柱的顶底板侧向滑移会加大巷道围岩变形程度，应控制煤岩体滑移程度，加大顶底板与煤层间的抗滑阻力。
4.2支护方案优化设计
根据理论计算和对巷道围岩变形机理的分析，考虑到原支护方案的加固深度和强度不足以抵抗围岩变形，所以在原有支护基础上对三软巷道进行了支护优化，优化前后支护示意图如图5所示。主要支护方案：
(1)顶板支护优化采用准25mm×2500mm的高强预应力锚杆，间排距800mm×800mm使锚杆锚固区伸入到非破碎区，增加锚固强度;锚索采用准19.3mm×9300mm的预应力锚索，间排距1.6m×0.8m，每排设2根锚索，使锚索伸入到基本顶范围，可以更大程度的紧固顶板，在此基础上铺设钢带以加强顶板支护。
(2)两帮支护优化巷道两帮采用准25mm×2500mm的高强预应力锚杆，间排距0.75m×0.8m，每排设置4根锚杆;在巷道两帮斜向上20°设置斜向锚杆，阻止顶板的横向剪切滑移;并对帮部铺设钢带加强两帮强度。
(3)底板注浆加固在巷道两帮底板斜下45°分别钻进注浆孔进行底板加固，钻孔深度2.5m，钻孔直径准42mm，注浆段孔径准28mm，钻孔排距为2m。
5结语
(1)分析了三软煤层巷道的侧向应力曲线形态，与普通煤岩层相比具有应力峰值位置远离煤壁、应力最大值降低、侧向支承应力影响范围扩大等特点;三软巷道发生变形破坏主要是由于力源集中区的集中载荷经煤岩体传递至两帮和软底板，形成帮部的横向剪切滑移破坏和底板的挤压夹持破坏。
(2)建立了三软巷道围岩力学模型，对巷道围岩变形机理进行了理论分析，分别推导计算了水平方向和垂直方向上巷道的受力平衡表达式，认为增加巷道支护强度p、加大底板支承力度、增加煤体侧向衰减系数β和降低底板滑移程度等可以保持巷道的极限平衡。
(3)三软煤层巷道围岩控制原则主要包括“控制顶板、加固两帮、强化底板和固定滑移”4个方面。并对巷道在原有支护基础上进行了优化设计，分别采用长预应力锚索、帮部加密锚杆、底板注浆等方式保证巷道围岩的安全稳定。——论文作者：魏辉
