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大断面托顶煤巷道围岩变形影响因素分析
摘要：针对潞安矿区大断面托顶煤巷道支护难题，以常村煤矿2701采煤工作面区段运输巷为工程背景，基于数值模拟对大断面托顶煤巷道围岩变形影响因素进行了分析。结果表明，随着巷道埋深的增加，大断面巷道顶板和两帮移近量会显著增加；当侧压系数增加时，巷道顶板下沉量先下降后趋于稳定，两帮位移量则先减少再增加；巷道顶煤厚度及煤体强度增加，可以使巷道顶板和两帮位移量减少。不同条件下，巷道两帮的相对移近量均大于顶板下沉量，说明大断面托顶煤巷道的顶板及两帮支护均应该受到重视。研究成果可为大断面巷道支护提供理论指导。
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厚煤层大采高机械化开采的推广是我国煤矿实现高产高效生产的重要途径。大断面矩形巷道具有断面利用率高、掘进工艺简单和成形速度快等优点，在厚煤层开采中被广泛使用，以缓解采掘接替紧张等问题。然而，矩形巷道的顶板稳定性较差，尤其是当巷道断面加大后，顶板中部易发生拉破坏，其肩角处容易发生较为严重的压剪破坏，通常还伴有严重的底鼓现象[1]。近年来，随着大采高机械化开采技术的高速发展与规模化应用，大断面巷道掘进过程中冒顶、片帮等巷道失稳事故时有发生，对我国煤矿高产高效安全生产产生了一定影响。
针对大断面煤巷顶板变形失稳问题，相关学者主要采用理论分析、数值模拟和工程实践等方法，针对托顶煤(或留顶煤)[1-2]、层状顶板[3-4]、变倾角变埋深[5]、冲刷带[6]、深部高应力软岩[7-8]、半煤岩[9]等条件下，对大断面巷道的失稳机理、灾变机制与控制技术进行了广泛研究。目前对于大断面巷道具体尺寸，尚未有明确的定义，需要结合特定地质条件和围岩拉破坏深度来进行综合判断，一般情况下，大采高机械化开采时所采用的断面较大的回采巷道为大断面巷道。大采高工作面回采巷道若沿着煤层底板掘进，由于巷道高度一般小于厚煤层的厚度，此时巷道顶部为煤炭，该巷道称为托顶煤大断面巷道。根据破坏形式不同，托顶煤大断面巷道的顶板可分为弱面剪切位移峰值区、弱面离层区和拉破坏极不稳定区三个区域，能否有效控制这些区域的扩展是大断面巷道围岩控制的关键。对于层状顶板，有学者将大断面煤巷顶板划分为非稳定层、亚稳定层和稳定层，并据此提出了以保证顶板岩梁连续性、抑制巷道顶角破坏为核心的多层次支护技术。此外，巷道倾角变化也会对围岩稳定性产生影响，可通过增加锚索、锚杆直径及其预紧力来提升顶板岩层间的抗剪能力，从而提高大断面巷道围岩的稳定性。对于冲刷带围岩，可采用全断面长短锚索结合+网喷的联合支护，配合金属网+喷射混凝土的辅助护表支护方式，有效减小了大断面巷道的位移量。有研究发现，随着埋深增加，巷道围岩会出现塑性区体积增速加快、顶板多次应力集中及侧压力系数增大等现象，可采用“补强锚杆+挂网+增加喷浆厚度”支护方案提高巷道围岩稳定性。在大断面煤岩巷道中，强度较低的煤体最先在煤岩交界面发生破裂、滑移、变形，不断向深部延伸，随着煤岩体完整性及强度的持续弱化，造成巷帮由下而上的非均匀渐进性失稳破坏，此时可采用应力锚杆支护与薄弱区域加强支护以控制变形。综上，大断面巷道围岩失稳与顶板结构、巷道倾角、埋深、围岩强度等因素密切相关，不同条件下，巷道失稳机理及控制方法均存在较大差异。
综上所述，前人针对大断面托顶煤巷道围岩变形因素进行了广泛研究，但不同煤层赋存条件下，其影响因素的作用可能不同。为此，本文针对潞安矿区大断面托顶煤巷道支护难题，结合常村煤矿2701采煤工作面区段运输巷工程，通过数值模拟方式对大断面托顶煤巷道围岩变形影响因素进行系统研究，以期为潞安矿区大断面托顶煤巷道支护提供技术指导。
1、模型构建
总结前人相关研究可知，大断面煤巷围岩变形失稳主要受开挖条件、支护方案及工程地质等因素影响。其中巷道开挖因素包括巷道埋深、断面形状、断面面积和邻近区域的采掘扰动影响等；支护因素主要包括支护方式、支护强度、支护密度及支护材料等；工程地质因素主要包括煤岩特性、煤层厚度、构造发育程度及水文地质等。本文主要讨论自然条件因素对巷道围岩变形的影响，综合前人研究，选取了巷道埋深、构造应力、顶煤厚度及煤体强度等因素作为研究对象。
根据常村煤矿2701采煤工作面区段运输巷工程条件，采用FLAC3D软件构建了一个三维模型，如图1所示。模型尺寸长×宽×高=45.1 m×40.0 m×17.0 m, 巷道布置于煤层中，其断面为矩形，断面尺寸为5.1 m×3.5 m, 顶部为煤层。将模型左侧、右侧及下部边界的位移进行固定，在其上部边界施加均匀的垂直应力。具体模拟巷道埋深、构造应力、顶煤厚度与煤体强度对大断面托顶煤巷道顶板和煤帮变形的影响规律。煤层及其顶底板岩层物理力学参数如表1所示。
图1 数值模拟三维模型
表1数值模拟的煤岩力学参数
2、结果及讨论
2.1 巷道埋深
根据图2～图4可知，随着巷道埋深的增加，大断面巷道顶板和两帮移近量不断增加。当埋深由300 m增加至600 m时，巷道顶板的下沉量由130 mm增加至632 mm, 增幅达到387%;巷道两帮位移量由206 mm增加至978 mm, 增幅达到373%.说明巷道埋深对其顶板和两帮变形量影响极大，且两帮的位移量要大于顶板位移量。
图2 不同埋深下巷道围岩的水平位移
图3 不同埋深下巷道围岩的垂直位移
图4 巷道顶板及两帮移近量随埋深的变化趋势图
此外，随着埋深增加，巷道顶板和两帮的移动范围也逐渐增加。所以，在巷道埋深较深的情况下，要加大对巷道顶板和两帮的支护强度，巷道掘出后及时进行高强度支护。
2.2 构造应力(侧压系数)
根据图5～图7可知，构造应力(侧压系数)对大断面巷道顶板和两帮位移量变化的影响有所不同。当侧压系数由0.5增加至2.5时，巷道顶板下沉量先由361 mm(0.5)逐渐下降至253 mm(2.0),之后下沉量趋于稳定(258 mm);巷道两帮位移量先由550 mm(0.5)减少至482 mm(1.5),之后又增加至658 mm(2.5)。此外，随着侧压系数增加，巷道顶板和两帮的移动范围也逐渐增加。虽然变化趋势不同，但巷道两帮的位移量总体仍大于其顶板的位移量，说明构造应力对大断面两帮的影响更大。因此，当巷道邻近区域的地质构造较为发育，例如巷道通过断层、节理等构造发育区域时，应同时加强对巷道顶板和两帮的及时支护。
图5 不同侧压系数下巷道围岩的水平位移
图6 不同侧压系数下巷道围岩垂直位移
图7 巷道顶板及两帮移近量随侧压系数的变化趋势
2.3 顶煤厚度
根据图8～图10可知，整体而言，随巷道顶煤厚度的增大(巷道高度降低),由于巷道断面减小，其周围岩体的移动量呈减少趋势。当顶煤厚度由1.5 m增加至4.0 m时，巷道顶板下沉量由368 mm减少至254 mm, 降幅为31%;两帮移动量由590 mm减少至337 mm, 降幅为43%.巷道两帮的位移量仍大于其顶板的位移量。值得注意的是，当顶煤厚度小于3 m时，巷道顶板和两帮位移量增加呈减缓趋势，故可以将3 m视为巷道顶煤厚度的一个临界点。从上述模拟结果可知，顶煤厚度对巷道的稳定性影响较大，顶板及两帮的位移量与顶煤厚度呈现明显的负相关性。适当减小顶煤厚度、增加巷道高度有利于降低支护难度。
图8 不同顶煤厚度下巷道围岩水平位移
图9 不同煤层厚度下巷道围岩垂直位移
图1 0 巷道顶板及两帮移近量随顶煤厚度的变化趋势
2.4 煤体强度
根据图11～图13可知，随着煤体强度的增加，巷道顶板和两帮的移近量呈降低趋势。当顶煤的普氏系数由0.6增加至1.6时，巷道顶板下沉量由638 mm减少至129 mm, 降幅达80%;两帮位移量由976 mm减少至208 mm, 降幅达79%.
图1 1 不同煤体强度下巷道围岩水平位移
图1 2 不同煤体强度下巷道围岩垂直位移
图1 3 巷道顶板及两帮移近量随煤体强度的变化趋势
巷道两帮的位移量总体大于顶板的位移量。煤体强度提高后能增加巷道围岩的稳定性，减小其位移量，当煤体普氏系数大于1.4之后，巷道变形量减少趋势减缓。
3、结 语
本文针对潞安矿区托顶煤大断面巷道支护难题，结合常村煤矿2701采煤工作面区段运输巷工程条件，通过FLAC3D数值模拟对托顶煤大断面巷道围岩变形的影响因素进行分析。结果表明，随着巷道埋深的增加，大断面巷道顶板和两帮移近量会显著增加；当侧压系数增加时，巷道顶板下沉量先下降后趋于稳定，两帮位移量则先减少再增加；巷道顶煤厚度及煤体强度增加，可以使巷道顶板和两帮位移量减少。不同条件下，巷道两帮的相对移近量均大于顶板下沉量，说明大断面托顶煤巷道的顶板及两帮支护均应该受到重视。
参考文献:
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[4]明鹏飞.大断面煤巷层状顶板变形失稳机理及质量控制研究[J].中国石油和化工标准与质量,2021,41(24):84-85.
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文章来源:丁永红,闫高峰.大断面托顶煤巷道围岩变形影响因素分析[J].煤,2024,33(11):43-48.
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2025-07-07我要评论
期刊名称：煤矿机械
期刊人气：2112
主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
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2024-11-04
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