大倾角工作面回采巷道断面形状优化

高 彪

(山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

大倾角煤层开采中，巷道开挖后，受倾角作用、构造应力、采动应力等作用叠加影响，巷道破损严重，顶底及两帮出现差异性变形。因此，选择科学合理的断面形状，对巷道的稳定及支护起着至关重要的作用。吴青峰[1]采用FLAC3D软件对老石旦煤矿不同巷道断面形状下巷道位移进行对比分析，选出最优巷道断面。韩现民等[2]通过数值模拟和现场工程对比，对三种断面形式下隧道的支护受力和围岩变形特征进行对比分析，结果表明，似圆形断面可以有效地控制围岩的变形量。冯伟等[3]对西铭矿48710工作面矩形巷道变形大、难以维护等问题，采用UDEC对矩形、圆形、直墙半圆拱形巷道进行分析，最终得出直墙半圆拱为最适合断面。李桂臣[4]对不同侧压系数对高地应力条件下不同巷道断面影响，并提出了支护相关理念。

由于不同矿井地质条件存在差异，本文以山东阳城煤矿大倾角3308工作面为工程背景，对阳城煤矿3308工作面巷道的断面进行优化设计，采用FLAC3D对矩形和直墙微拱形断面进行数值模拟研究，分析得出合理断面形状，并提出对应支护建议，为类似大倾角条件下工作面巷道断面选取及支护供借鉴。

1 地质概况

阳城煤矿3308工作面轨道巷位于三采区深部轨道下山东北，3306工作面下方，煤层为沉积较稳定的厚煤层，平均煤厚7.5 m，倾角为28°，平均埋深为900 m，直接顶为粉砂岩，厚3.76 m。直接底板为粉砂岩和泥岩，厚1.61 m，泥质胶结，较松软。工作面采用综合机械化放顶煤开采，自然垮落法处理采空区，工作面布置如图1所示。

2 不同巷道断面设计

由于煤层倾角较大，煤层顶板上覆岩层的重力可以分解为沿倾斜层面的力和垂直于层面的力，随着倾角的增加，沿煤层方向上的剪切作用力就越大，使巷道两帮围岩应力产生不同的变化[5]，相邻3306工作面巷道采用矩形巷道，围岩受力不均匀，巷道周围出现应力集中及两帮非对称变形。因此在开挖3308工作面轨道巷时，对巷道断面进行设计研究，相关方案如下：

方案1：巷道断面设计为矩形，巷道断面宽和高分别为4.8 m×3.5 m。

方案2：巷道断面设计为直墙微拱形，其中巷道底部直墙高2.6 m，直径为2.4 m，顶部微拱高为0.9 m。

3 断面形状对巷道稳定性影响数值模拟

3.1 模型建立

根据阳城煤矿三采区地质资料，对地层适当简化，建立数值计算模型，模型尺寸为340 m(长度)×240 m(宽度)×115 m(高度)，工作面长150 m，倾角为28°，为消除边界效应，工作面左、右两侧分别留有60 m的煤柱。模型四周及底部进行位移约束。模型上部施加垂直应力20 MPa，模型中各煤岩层采用莫尔-库伦本构模型，共划分531 443个单元，156 265个节点，煤岩层物理力学参数见表1，建立数值模型如图2所示。

表1 岩石力学参数

图2 数值模型图

3.2 模拟方案

模拟主要是分析研究两个不同断面下巷道应力分布特征、位移移进量及塑性区变化，因此，在模拟过程中，巷道不进行支护，巷道相关参数按照第2节所述。

3.3 不同断面形状模拟结果分析

3.3.1 不同断面形状下巷道应力分布特征

为探究不同巷道断面应力分布特征，在FLAC3D中提取垂直应力数据到Tecplot，如图3所示，在煤柱和巷道顶板布置应力测线，对应力进行监测，如图4所示。

图3 不同断面垂直应力分布图

图4 煤柱内和巷道顶板垂直应力分布图

由图3～4可知，垂直应力分布具有以下特点：

1) 在煤柱宽度相同时，煤柱内垂直应力分布均为梯形，直墙微拱形断面巷道煤柱侧内部平稳区域较矩形巷道范围大，其中矩形断面巷道煤柱内垂直应力峰值为22.3 MPa，直墙微拱形断面巷道煤柱内垂直应力峰值为24 MPa，应力峰值增加7%，表明微拱形断面巷道煤柱对上覆岩层承载能力更强。

2) 在距离采空区煤壁4 m后，矩形断面巷道煤柱内垂直应力下降幅度较直墙微拱形巷道大，且矩形断面巷道左帮煤壁垂直应力明显小于直墙微拱形，表明矩形断面巷道左帮更易被破损失稳。

3) 直墙微拱形断面巷道相较于矩形断面巷道，由于微拱的存在，可以减缓来自沿倾斜方向和垂直方向上的作用力，顶板浅部围岩应力值较高，稳定性强，矩形巷道则直接受力，浅部围岩应力值较低，承载能力较弱。因此，在受相同作用力下，直墙微拱形巷道承载能力更强。从应力方面，认为最合理巷道断面形状为直墙微拱形。

3.3.2 不同断面巷道围岩位移变化特征

为比较不同断面下围岩位移变化量，在矩形和直墙微拱形巷道顶底及两帮布置测点，对巷道围岩移进量进行监测，数据如表2所示。

表2 不同断面巷道围岩变形量

图5 不同巷道断面围岩移进量图

由表可得，直墙微拱形巷道围岩顶板移进量为125 mm，矩形移进量为143 mm，直墙微拱形巷道位移量比矩形减少12.8%，二者底板底鼓量相差不大，均为27 mm左右，直墙微拱形巷道左右帮部移进量比矩形减少31.7%和17.8%，其中，左帮巷道移进量改善最为明显。

矩形断面巷道初始面积为16.8 m2，变形后为15.6 m2，巷道降幅为7.14%，直墙微拱形断面巷道初始面积为15.18 m2，变形后为14.22 m2，巷道降幅为6.32%，矩形断面巷道降幅大，表明巷道整体变形严重，可利用率低。各项数据可得，直墙微拱形断面在控制巷道变形量方面较矩形断面更优。

3.3.3 不同断面形状下塑性区分布特征

不同断面形状下巷道围岩及煤柱塑性区分布特征如图6所示。

由图6可知，巷道开挖后，两种断面形状下煤柱内塑性区范围相差不大，主要区别在断面巷道周围塑性区，矩形断面巷道较直墙微拱形断面巷道塑性区扩展范围较大，矩形断面巷道顶底板塑性区范围大，右帮塑性区在倾斜方向上扩展范围较广，直墙微拱形断面顶板及右帮塑性区改善明显，范围均有减小。因此在塑性区角度分析直墙微拱形断面巷道更适合。

图6 不同断面形状巷道塑性区分布图

通过对不同断面形状下巷道围岩应力、位移、塑性区进行研究分析可得，直墙微拱形断面和矩形断面相比，直墙微拱形断面帮部和顶板较矩形巷道抵御破坏能力更强，使得巷道破坏范围减小。在巷道围岩移进量来看，直墙微拱形巷道总体位移量小，煤柱侧巷道位移减少量最为明显。直墙微拱形断面巷道塑性区较矩形断面巷道塑性区范围缩小。因此，最优断面形状为直墙微拱形。

4 支护建议及方案

根据数值模拟结果可得，即使采用直墙微拱形巷道围岩也呈现非对称变形特征，应针对性进行支护，提出“锚杆+锚索+钢带+金属网”的非对称性支护方案，在该支护方案中，非对称主要体现为：一是两帮锚杆锚索布置有差异，目的是有针对性的加强巷道支护强度；另一个是采用锚索将巷道围岩锚固于顶板稳定岩层内，减少在倾斜方向上的滑移，从而加强巷道整体稳定性。图7为提出的支护方案示意图。

5 结 语

本文以3308工作面为工程背景，设计不同断面形状，对应力分布、围岩变形量及塑性区进行研究，最终得出：

1) 直墙微拱形断面由于顶部为拱形，可以减缓来自沿倾斜方向和垂直方向上的力，帮部和顶部破坏减少，因此承载能力比矩形断面更强。

2) 直墙微拱形断面巷道围岩位移以及变形后巷道降幅比矩形小，表明微拱形位移控制方面更优，直墙微拱形断面巷道顶板及右帮塑性区范围小。综合得出直墙微拱形断面为3308工作面回采巷道的最优断面。

3) 根据数值模拟得出的巷道围岩的变形特征，提出“非对称”建议支护方案。

图7 建议支护方案示意(mm)