开采扰动下深井松软岩层巷道围岩变形特征及防控技术研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：作者简介：高占峰（），男，河南安阳人，工程师，年毕业于河南理工大学，现任安阳大众煤业有限责任公司党委书记、董事长。引用格式：高占峰 开采扰动下深井松软岩层巷道围岩变形特征及防控技术研究 能源与环保，（）：，（）：开采扰动下深井松软岩层巷道围岩变形特征及防控技术研究高占峰（安阳大众煤业有限责任公司，河南 安阳 ）摘要：针对深井松软煤巷围岩变形破碎、巷道支护困难等问题，以城郊煤矿 工作面沿空巷道为工程背景，通过理论分析、数值模拟及现场试验，综合探究了巷道围岩变形破坏机制及防控策略。研究发现顶板横向受力、巷道等效跨度、厚硬顶板是巷道围岩损伤破坏影响因素。横向受力增大、等效跨度增长以及围岩强度降低都会加剧围岩破坏程度。基于巷道变形破坏主控因素，提出煤柱侧向切顶 注浆加固并对破碎区域补充锚索强化支护的防控策略，对后续工作面巷道支护提出全长锚固 顶板外侧补充 排锚索 煤柱侧补充 排锚索、顶板外侧补充 排锚索 煤柱侧向切顶 种防控方案。不同方案下巷道围岩变形及应力监测结果表明，方案二防治效果更佳，为深井松软围岩巷道变形控制提供了合理依据。关键词：深部煤层；软岩；变形破坏；主控因素；防控策略中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（，）：，：；随煤炭资源开发向深部转移、煤层开采条件日益复杂恶劣，在高应力、强采掘扰动及强时效属性作用下深部巷道支护问题突出，围岩强度劣化、结构失稳大变形、锚杆失效、动力灾害频发等灾害已严重制约了深部煤炭资源安全高效开采 。国内外学者围绕深部松软围岩巷道围岩变形破坏机制、应力分布及控制技术开展了大量探索与实践。围岩变形机制方面，王方田等 分析了松软破 年第 期能源与环保第 卷碎围岩巷道变形特征及关键影响因素，构建了巷道围岩结构力学模型，揭示了巷道应力与塑性区演化规律，提出了全断面注浆加固技术；同时研究了切顶卸压沿空留巷巷道围岩结构特征并提出锚索强化支护技术，有效控制了围岩变形。王学滨等 研究了内摩擦角对拱形巷道围岩破裂化的影响，得出围岩破坏随内摩擦角的减小而加剧。赵宾等 研究了浅埋巷道围岩松动圈演化规律，得出了松动圈“凸”型发育特征。王炯等 分析了复合坚硬顶板切顶留巷围岩变形机理，研究了沿空切顶巷道顶板结构特征。围岩应力分布方面，曹胜根等 根据岩土有效应力原理建立了巷道突水区围岩本构模型，指出巷道围岩保持稳定而不发生突水的基本思想。王卫军等 推导了考虑支护力作用下的非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程的近似解，指出深部巷道围岩控制应由“变形控制”向“结构稳定控制”理念转变。靖洪文等 从细观层面揭示了不同支护方式下深部矩形煤巷围岩破坏失稳全过程内部的应力演化和裂纹发育规律。左建平等 分析了矩形巷道顶板受力特点，提出了深部巷道等强梁支护理念，建立了巷道围岩梯度破坏理论模型，研究了不同应力下围岩梯度破坏的宏观细观特征。孙广京等 构建了软弱破碎顶板巷道围岩“抛物线半双曲线”破碎边界扩张模型，研究了软弱破碎顶板载荷增长规律及影响因素。围岩控制方面，侯朝炯等 分析了围岩损伤、裂隙演化宏观响应机理，提出了深部巷道破裂围岩深、浅孔加固注浆技术。柏建彪等 针对深部软岩巷道四周来压、整体收敛、变形强烈等特点，提出通过主动有效卸压方法释放围岩膨胀变形能，将高应力向四周围岩深部转移。方新秋等 研究了深井破碎围岩巷道稳定性控制技术，提出了二次支护方案。付玉凯等 分析了长、短锚索控制围岩变形的机理并提出了软岩巷道长短锚索层次控制技术。杨仁树等 研究了坚硬顶板下巷帮的支护问题，推导了巷帮应力表达式，得出了巷帮损伤判据，提出了强化支护技术，围岩控制效果明显。上述研究为煤矿巷道围岩防控提供了有效指导，对巷道破碎化、大变形、底鼓、冒顶问题进行了深入研究。因此本文依托已有研究成果以城郊煤矿 工作面运输巷为工程背景，通过理论分析、数值模拟和现场实测的方法对工作面开采过程中运输巷道支护困难、帮部锚索剪断失效、顶板内挤等问题进行分析，针对性地提出巷道支护优化策略，旨在为类似巷道稳定性控制问题提供有益参考。工程背景 巷道地质生产条件概述 工作面运输巷位于城郊煤矿 采区，主采二煤层，煤层平均倾角为 ，平均埋深 ，平均煤厚 ，煤层层理、节理发育，坚固性系数为 ，属于松软煤层。巷道断面为矩形，宽 ，高 ，沿顶掘进，煤层厚度不足 处破顶或破底掘进。煤层直接顶为软弱泥岩，平均厚度 ；基本顶为中、细粒砂岩，平均厚度 。煤层综合柱状如图 所示，围岩力学参数见表 。图 工作面综合柱状 表 煤岩力学参数 岩层密度（）体积模量 剪切模量 抗拉强度 黏聚力 内摩擦角（）粉砂岩 细粒砂岩 砂质泥岩 中细粒砂岩 二煤 泥岩 细粒砂岩 巷道围岩破坏形式 工作面运输巷道采用小煤柱沿空掘巷的方式，煤柱宽 。回采过程中，工作面超前段巷道围岩变形严重，主要为顶板、帮部鼓起，顶板下沉、年第 期高占峰：开采扰动下深井松软岩层巷道围岩变形特征及防控技术研究第 卷鼓包，围岩破碎，剪切滑移等特征。巷道围岩变形如图 所示。图 巷道围岩变形 对工作面前方 位置处设置顶板离层以及巷道围岩变形监测站，根据顶板离层监测仪以及矿井围岩变形监测台账可知，巷道顶板及两帮变形量相对明显，顶板产生离层并呈周期性发育（图 ）。图 巷道变形及离层监测 巷道支护方式 工作面运输巷顶板采用锚网索联合支护，锚杆间排距为 ，锚固力为 。沿巷道走向距巷道中心线两侧 各布置排锚索；帮部支护同样采用锚网索联合支护，锚杆布置同顶板，煤柱侧、回采侧布置 排 单锚索，帮部沿巷道走向布置 排锚索，横向双排布置，距离顶板分别为 、（图 ）。图 巷道支护断面 深部巷道围岩力学特征 深部矩形巷道围岩破坏特征城郊煤矿煤层平均厚度 ，巷道高度已经超过了平均煤厚，巷道沿煤层掘进，顶底板为岩层，围岩力学特征如图 所示。图 巷道围岩结构 巷道开挖后围岩应力重新分布，从内向外依次形成破裂区、裂隙发育区和塑性区，其极限平衡区范围内支承应力分布为 ：()（）塑性区宽度为：（）（）（）式中，为煤层内摩擦角，；为巷道外接圆半径，；为距离巷道外接圆圆心的距离；为 年第 期能源与环保第 卷煤层黏聚力，；为巷道埋深，；为容重，平均 ；为巷道宽度，。将数值代入公式计算得，巷道煤层等效塑性区宽度为 。巷道围岩应力分布呈现以下特征：巷道的开挖将煤层从单连体转化为分离体，在深部高应力作用下，巷道两帮煤体裂隙发育明显，破碎程度高；煤层支承应力从巷帮向内部先增大后减小，应力峰值为 ；巷道顶底板为软弱泥岩，巷角处剪切带发育范围大，煤岩层间滑移明显。深部巷道顶板破坏特征深部岩体受水平应力影响明显，因此对于深部岩体的研究，其受水平应力的影响不可忽略。结合城郊煤矿 工作面运输平巷现场实际，建立巷道顶板力学模型如图 所示。图 巷道顶板力学模型 巷道顶板不仅受到竖向载荷的作用，对于深部巷道顶板，其两端还受到横向压应力作用，因此将巷道顶板简化为横纵弯曲梁模型 。考虑到巷道两端破碎区内煤体已经进入残余应力状态，基本丧失承载作用，认为巷道顶板等效跨度为两帮破碎区之间的距离。（）随着巷道围岩破碎区的增大，等效跨度也随之增加，根据一侧采空煤体弹塑性分布解析，破碎区宽度为：（）（）（）（）将数据代入公式计算得，。横向压力情况下，顶板挠曲线方程为：（）（）式中，为弹性模量，；为单位宽度直接顶横截面对中性轴惯性矩，；为挠度。式（）为关于 的二阶常系数非齐次线性微分方程，其通解为：（）（）式中，、为待定系数；。代入边界条件，、时，得出：（）联立式（）式（）可得，梁内任一竖向截面弯矩为：（）（）根据三角函数相关知识可得，发生在梁中心位置取得最大弯矩：()（）横截面最大正应力为：()（）式中，为梁底端距中性轴距离；为梁横截面面积。由式（）可得，顶板最大正应力与轴向受力，纵向载荷 以及顶板跨度 有关。且都为正相关关系，当直接顶截面正应力大于顶板的抗拉强度时，顶板会发生拉伸破坏，判据为：（）超前支承压力影响下巷道顶板均布载荷 为：（）（）（）（）式中，为应力集中系数，；为顶板黏聚力，；为顶板岩层内摩擦角，；为矩形巷道外接圆半径，；为巷道高度，。将数据代入公式计算得，；顶板正应力分布随位置变化及顶板最大正应力分布随跨度变化关系如图 所示。图 中，为长度方向距离边界的距离；为等效跨度。年第 期高占峰：开采扰动下深井松软岩层巷道围岩变形特征及防控技术研究第 卷图 顶板正应力分布 巷道顶板最大正应力与应力集中系数、顶板跨度、巷道断面大小以及埋深有正相关关系。对于城郊煤矿泥岩顶板，在无支护条件下，其最大拉应力达到了 ，超出顶板抗拉强度，巷道顶板从中间向两端出现拉断破坏区，加大了顶板治理难度。对于发生破坏的顶板岩体，在水平应力的作用下发生“鼓包”。顶板最大正应力随顶板等效跨度的增大呈二次幂函数形式增长，因此对顶板拉伸破坏的防控主要从减小顶板跨度方面考虑。另外，支护首先应保持巷道顶板的完整性，最大限度发挥顶板的自承能力，防止在破坏情况下支护。对 工作面顶板控制，主要从降低顶板拉应力以及提升围岩强度角度考虑。采动影响下深部沿空巷道围岩应力分布采用 模拟软件参照城郊煤矿 沿空工作面建立数值计算模型，固定模型底部及四周边界，模型顶部及四周施加横向、竖向应力 模拟采动影响下围岩应力分布情况如图 所示。图 巷道围岩应力分布 年第 期能源与环保第 卷由图 可以看出，受采动影响，巷道围岩在工作面前方不同位置发生应力集中现象，随着距离工作面距离的减小，巷道围岩应力集中程度也更加明显。分析工作面前方 范围内巷道围岩应力分布情况可知，工作面前方 、处应力集中主要发生在两帮实体煤处，其中受侧向采空区影响，煤柱侧应力集中更加明显，竖向应力分别为 、，实体煤侧为 、。可见，沿空小煤柱能够实现相应的应力转移，工作面处煤柱侧应力高于采动侧，后大致相等，小煤柱内部已经进入塑性状态，其承载能力已经达到峰后阶段，实际巷道煤柱侧变形较大，应针对性给予防治措施。巷道围岩稳定性规律 巷道围岩控制方案设计上述分析可知，影响巷道围岩稳定性的因素为：两侧采空区超前应力叠加造成超前段应力集中；巷道两帮围岩松散破碎导致巷道等效跨度增大；巷道围岩强度较低，容易破坏；顶板出现离层，表明锚索支护强度不足。结合上文围岩稳定性因素理论分析，采取相应防治方针为：“围岩加固、围岩卸荷、补强支护”，主要防治策略为：高预应力锚杆全长锚固替代局部锚固。对于深部松软泥岩顶板巷道，其顶板强度低，承载高，锚杆的支护作用是以围岩锚固体粘合面稳定为前提，在顶板受高应力集中时，顶板损伤发育，锚固体围岩粘合面稳定性被打破，锚杆支护效果减弱。全长锚固一方面提高围岩整体的强度，一方面加大了围岩锚固体黏结面面积。因此提出后续巷道支护采用全长锚固的形式。采空区顶板卸压。对于沿空巷道受侧向采空区坚硬顶板悬顶影响，因此，为了降低巷道围岩应力集中系数，可以采用顶板欲裂爆破的方法对工作面侧向煤柱侧顶板 粉砂岩进行欲裂处理。顶板卸压参数为：钻孔直径为 ，预裂步距应小于周期来压步距（）。卸压范围为超前工作面 ，巷道两侧施工钻孔，临空侧钻孔角度 ，长度 ，顶板细砂岩部分正向不耦合装药，装药密度 ，装药长度 。封孔长度不低于孔深的 。顶板深孔爆破如图 所示。巷道围岩补强支护。对 工作面顶板及两帮变形明显的地方补加锚索支护，超前段 范围进行围岩注浆加固，巷道两帮施工注浆钻孔，钻孔间距，注浆压力为 。对后续工作面巷道顶板外侧补加两排锚索强化支护，锚索角度为 。支护断面如图 所示。图 顶板深孔爆破示意 图 补强支护断面 为解决煤柱帮鼓问题，工作面后续支护提出 种防治方案。方案 ：在原支护方案基础上对锚杆全长锚固，顶板补加 排锚索煤柱帮部补加 排锚索；方案 ：顶板补强 排锚索支护，对上区段采空区进行切顶。通过对比不同方案下围岩防控效果，选择最优支护方案。方案效果分析为了验证不同方案下巷道围岩支护效果，对工作面巷道两帮及顶板变形量进行监测，监测点位于两帮高度中点及顶板宽度中点，在工作面前方 、处布置测线，测线沿走向布置，距巷道左帮 ，右帮（煤柱宽度），对巷道两帮应力情况进行监测。巷道围岩两帮及顶底板变形量如图 所示。由图 可知，工作面实体煤帮位移量随着至工作面距离的增加呈先上升后下降最终趋于稳定的趋势。其中，上升阶段位于工作面前，在处达到峰值，从 为陡降区，为缓降区，后为稳定区。不同支护方式下巷道围岩变形大小不同，原支护、方案、方案 下，巷道实体煤帮最大位移 年第 期高占峰：开采扰动下深井松软岩层巷道围岩变形特征及防控技术研究第 卷量分别为 、，方案、方案 降低率分别为 、。位置处原支护、方案 及方案 实体煤帮变形量分别为 、，处分别为 、，处分别为 、。图 巷道围岩变形量 巷道顶板下沉量随距离工作面距离的增大一直保持降低，其中，在 内为陡降区，为缓降区，为稳定区。顶板最大下沉量分别为 、，方案 和方案 降低率分别为 、。处 种方案下巷道顶板下沉量分别为 、，处分别为 、，处分别为 、。巷道煤柱帮部位移量随距离工作面距离的增加而减小，工作面前方 内为陡降区，为缓降区，外为稳定区。不同方案下煤柱侧最大帮鼓量分别为 、，方案 、方案降低率分别为 、。处不同方案下煤柱帮鼓量分别为 、，处分别为 、，处分别为 、。对比不同方案下巷道围岩位移量可知，深部巷道围岩仅仅优化锚固方式对巷道围岩整体变形的防控效果相对较小，超前采动应力的集中对巷道超前段围岩变形量仍未得到有效控制，经过侧向采空区顶板爆破卸压后，巷道围岩变形明显减小，表明侧向采空区坚硬顶板悬臂梁结构对巷道围岩附加应力是巷道围岩变形的关键因素之一。顶板卸压后，对巷道围岩稳定区变形量的影响从大到小依次为煤柱帮部，巷道顶板和实体煤帮，其中煤柱侧、巷道顶板以及实体煤帮部围岩稳定变形量相比原支护依次减小了 ，、。可见，方案 效果相对更好，可知顶板是影响巷道围岩变形的主要影响因素。现场应用效果分析对 优化方案进行现场效果检验，对巷道顶板及两帮变形量进行监测，监测位置位于工作面前 ，监测时间 。巷道变形量如图 所示。图 巷道位移监测 巷道围岩位移监测结果表明，巷道围岩在优化支护方案下围岩位移得到控制，煤柱帮最大移近量为 ，顶板下沉量为 ，实体煤帮位移量为 ，表明防控效果良好。结论（）分析城郊煤矿 工作面沿空巷道围岩破坏特征，计算巷道围岩等效塑性区半径为 ，围岩破坏主要方式为剪切破坏，锚固体围岩界面承载力降低。（）建立巷道顶板横纵弯曲梁模型，分析了水平应力、等效跨度以及顶板强度是巷道顶板“鼓包”以及顶板发生破坏的主控因素，工作面顶板在超前支承应力影响下发生拉伸破坏。年第 期能源与环保第 卷（）根据巷道围岩破坏因素，对 工作面采取煤柱侧向切顶 注浆加固并对破碎区域补充锚索支护的防控技术并对后续工作面巷道支护设计 种防控方案：高强锚杆全长锚固 顶板补加 排锚索 煤柱帮部补加 排锚索；顶板补加 排锚索 煤柱侧向顶板卸压。（）对不同方案下巷道围岩变形量及围岩应力进行监测对比，得出厚硬顶板 小煤柱是巷道围岩破坏的主控因素，采用围岩锚索补强支护配合顶板切顶对巷道围岩变形有较好控制作用。参考文献（）：侯朝炯，王襄禹，柏建彪，等 深部巷道围岩稳定性控制的基本理论与技术研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：谢和平“深部岩体力学与开采理论”研究构想与预期成果展望 工程科学与技术，（）：，（）：康红普 我国煤矿巷道围岩控制技术发展 年及展望 岩石力学与工程学报，（）：，（）：康红普，姜鹏飞，杨建威，等 煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注 喷浆协同控制技术 煤炭学报，（）：，（）：王襄禹，柏建彪，王猛 弱面影响下深部倾斜岩层巷道非均称失稳机制与控制技术 采矿与安全工程学报，（）：，（）：王方田，尚俊剑，赵宾，等 切顶卸压沿空留巷围岩结构特征及锚索强化支护技术 岩石力学与工程学报，（）：，（）：，（）：王学滨，田锋，马冰，等 内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响 煤炭学报，（）：，（）：赵宾，梁宁宁，王方田，等 浅埋高强度采动巷道围岩松动圈演化规律研究 煤炭科学技术，（）：，（）：，王炯，李文飞，刘雨兴，等 塔山煤矿复合坚硬顶板切顶留巷围岩变形机理及控制技术研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：曹胜根，程正刚，张云，等 巷道围岩预注浆防突水技术研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：王卫军，韩森，董恩远 考虑支护作用的巷道围岩塑性区边界方程及应用 采矿与安全工程学报，（）：，（）：靖洪文，吴疆宇，孟波，等 深部矩形底煤巷围岩破坏失稳全过程宏细观演化特征研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：左建平，文金浩，胡顺银，等 深部煤矿巷道等强梁支护理论模型及模拟研究 煤炭学报，（）：，（）：左建平，魏旭，王军，等 深部巷道围岩梯度破坏机理及模型研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：孙广京，王平，冯涛，等 软弱破碎顶板巷道围岩变形机理及控 年第 期高占峰：开采扰动下深井松软岩层巷道围岩变形特征及防控技术研究第 卷制技术 煤炭科学技术，（）：，（）：侯朝炯，王襄禹，柏建彪，等 深部巷道围岩稳定性控制的基本理论与技术研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：柏建彪，王襄禹，贾明魁，等 深部软岩巷道支护原理及应用 岩土工程学报，（）：，（）：方新秋，赵俊杰，洪木银 深井破碎围岩巷道变形机理及控制研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：付玉凯，王涛，孙志勇，等 复合软岩巷道长短锚索层次控制技术及实践 采矿与安全工程学报，（）：，（）：杨仁树，朱晔，李永亮，等 坚硬顶板条件下裸顶巷道煤帮稳定性分析及控制对策 采矿与安全工程学报，（）：，（）：刘爱卿 刀柱式采空区下坚硬顶板控制技术研究 能源与环保，（）：，（）：，宋振铎，迟焕磊，刘思程，等 综采工作面回撤通道围岩支护稳定性分析 能源与环保，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）设备存在故障问题时，若问题较小系统对其运行状态进行调整，使其回到正常状态，若问题较大无法调整，则进行声光报警并紧急停机，保障设备安全。（）软件程序基于模块化思想设计，由一个主程序和多个子程序构成，每个子程序实现一个功能，这种设计思路便于后期的程序维护。将监控系统应用到带式输送机工程实践中，对各项功能进行调试后发现都能够正常工作。系统的成功实践应用，使得带式输送机的故障率大幅度降低，故障处理时间大大缩短，创造了很好的安全效益和经济效益。参考文献（）：刘妍萍 矿用带式输送系统应用研究 能源与环保，（）：，（）：闫军伟 带式输送机故障分析及监控系统的应用 矿业装备，（）：，（）：文灵，谢元媛 利用机器视觉远程监测煤矿带式输送机故障 能源与环保，（）：，（）：丁秀荣，薛正福，王芝兰 矿用带式输送机滚筒故障检测系统应用研究 能源与环保，（）：，（）：唐文杰 带式输送机运行状态智能监控体系的研究 机械管理开发，（）：，（）：王志广，王朋飞 变频控制系统在矿用带式输送机中的应用 能源与环保，（）：，（）：兰天安 矿井胶带输送机故障分析及智库体系建设 能源与环保，（）：，（）：宋凯 矿用带式输送机智能监控系统设计与研究 机械工程与自动化，（）：，（）：靳世伟 基于 的矿用胶带机监控系统设计与应用研究 矿业装备，（）：，（）：