基于正交试验的综放全煤回采巷道稳定性数值分析

刘镇书，韦四江，陈可夯，郑兴旺，陈 旭

(1.鹤壁煤业集团有限责任公司，河南 鹤壁 458000；2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

鹤壁矿区煤层厚度和煤层强度变化较大，呈现北部强度大、厚度小，南部厚度大、强度低的特点[1]。矿区地应力以水平应力为主，铅直应力基本为上覆岩层自重，并且地应力受构造形迹及其历史的影响较大。构造应力与回采巷道的夹角一般大于25°～30°，这是鹤壁矿区深部回采巷道难以维护的原因[2-3]。王博等[4]针对石炭井二矿21053开切眼全煤综放回采巷道，提出了动态耦合设计方法，对支护参数进行了优化；钟涛平等[5]采用数值模拟方法研究了近直立特厚煤层开采条件下，随留煤皮厚度不同时的巷道变形破坏特征。王红卫等[6]采用锚杆(索)—矿工钢棚协同作用原理，即主被动支护方法对“三软”厚煤层综放大断面开切眼进行了支护设计。Cui Jianfeng等[7]认为复合顶板条件下，围岩控制应将顶板、巷帮和底板视为一体，桁架锚索是控制巷道围岩变形的有效方法。于斌等[8]提出了特厚煤层综放工作面顶板水力压裂技术，处理后的临空巷道顶板压力减弱效果明显，较好地控制了坚硬顶板。康红普等[9-10]针对同煤集团下属的塔山、麻家梁煤矿展开高预应力锚固工业试验，结果表明高预应力锚固技术能够有效控制破碎围岩大巷、多次动压影响巷道、强烈动压影响大断面煤巷的变形。针对华晋王家岭煤矿大断面强采动综放煤巷，张广超等[11]深入讨论了综放沿空巷道顶板不对称变形破坏特征及主控因素，提出了桁架锚索支护技术。在分析大断面软弱综放回采巷道不协调变形失稳机理的基础上，左建平等[12]提出了全空间桁架锚索协同支护方案。郭子强等[13]针对某矿煤层巷道锚固支护特征，用有限差分方法进行了数值模拟研究。FLAC3D[14-15]、UDEC等[16]数值分析软件被广泛应用到巷道围岩的稳定性研究中。

上述研究成果，从支护材料、支护方法和支护理念等方面对不同类型的综放全煤巷道围岩控制进行了阐述。但由于煤矿工程地质条件千差万别，本文结合鹤煤矿区的工程地质条件，采用正交数值模拟方法研究埋深、支承压力系数、顶煤厚度、锚索布置和煤层强度5个因素对巷道断面收缩率的影响，提出了矿区综放煤巷的围岩控制方法。

1 鹤壁矿区回采巷道变形破坏特征

鹤壁矿区回采巷道层位受回采工艺的影响，如早在2003年推广锚杆支护时，一般为顶分层沿顶掘进巷道，下分层一般采用型钢支护形式;根据回采巷道与采空区的相对位置关系，可分为实体煤巷道、煤柱—煤体巷道，其支护形式种类较多，包括锚网索支护、型钢支护和联合支护等。

1.1 被动支架支护巷道

鹤壁矿区目前采深700～800 m，自推广综放回采工艺以来，沿底板布置的巷道一般采用被动支架支护，如工字钢、U型钢、钢管混凝土等[18-19]。U型钢一般采用3～4节拱形可缩性直腿支架，净断面积不少于14 m2；浅部29U型钢，深部为36U型钢，间距600～700 mm，破碎带和软弱带550～600 mm，月进尺100 m以上。U型钢支架具有支护强度大、适应性广、可重复使用和安全系数高的优点。但是，随着采深增加或强采动影响，U型钢支护存在返修率高、工人劳动强度大、超前替棚等缺点。如鹤煤公司3204工作面风巷内段采用U型钢支架支护，支架破坏以滑移、搭接段和正常段弯曲和折断为主，形状呈尖顶状。煤体风化、漏冒严重；宽度由5.4 m收缩到4.3 m左右，高度由3.4 m收缩至2.8 m左右，巷道断面收缩率达50%。U型钢支架变形破坏如图1所示。

图1 U型钢支架变形破坏

1.2 锚网支护

早期锚网索支护以沿顶掘进煤巷为主，综放回采沿底掘进巷道支护以U型钢支架为主。当时埋深浅，采掘系统简单，能够满足需要。随着开采强度增加，采掘深度日趋加大，采掘系统日趋复杂，原岩应力和支承压力较高；给深部回采巷道围岩控制造成很大的困难。

随着支护技术的进步，高强度、高刚度、高预紧力的强力支护技术应为鹤壁矿区全煤回采巷道围岩控制的首选。

因此，为减轻工人劳动强度、提升矿井高产高效水平，依托当前的锚网索支护材料和施工工艺，根据鹤壁矿区煤层赋存条件，亟须开展鹤壁矿区锚杆支护参数和工艺优化方面的研究。

2 正交数值分析

2.1 因素和水平

根据正交模拟的要求选取相应的因素和水平。巷道埋深分别为600、700、800、900 m；支承压力集中系数分别为1.0、1.5、2.0和2.5；顶煤厚度分别为1、2、3、4 m；锚索布置分别为1、2、3、4根；煤层单轴抗压强度分别为2、3、4、6 MPa，对应的变形、强度参数和节理面参数见表1。所采用的模拟软件为UDEC，该软件能够较好地模拟开挖、支护。

表1 岩体及结构面参数

选用矩形巷道断面，取巷宽5.0 m，巷高3.2 m，巷道断面16 m2，与鹤壁矿区采用的断面相吻合。模型左右边界固定约束，上边界施加铅直应力σv，施加的应力水平见表1；底边界固定，巷道轴向固定约束。根据选取的因素和水平，选取4水平5因素，L16(54)正交表，见表2。

表2 正交模拟方案及极差分析

2.2 模拟结果及分析

各个方案的塑性区如图2所示。从图2可以看出，不同围岩、不同应力边界条件下，巷道围岩的变形有很大的差异；这与巷道埋深、支承压力系数、顶煤厚度及锚索数目、围岩力学性质等有直接的关系，巷道围岩塑性区受到上述因素和不同水平的影响。顶板塑性区受煤层厚度和岩性的影响较大，即煤层强度越低，锚索根数少，塑性范围越大，因此，对厚煤层松软条件下的顶板条件，应增加锚杆数量。随着支承压力系数的增大，两帮塑性区由“V”形向条形过渡，如方案8、12和方案16，其支承压力系数分别为2.0、2.5和3.0。以巷道断面收缩率目标值，进行极差分析(R)，过程如下。

图2 巷道变形及塑性区

(1)将16个试验结果，填在表2的试验指标栏内。16个试验的指标总和为247.34。第16号试验的巷道收敛指数最大，埋深900 m，支承压力集中系数3.0，锚索2根，顶煤厚度1 m，煤层强度2 MPa，即A4B4C1D3E2。

(2)计算各列的Ki、ki和Ri，填在表2的有关栏内，并检查计算结果。

(3)对各个因素作用下的极差进行比较，极差的大小反映了因素变化时试验指标的变化幅度。因此，因素的极差越大，就是该因素的影响越大，对收敛指数的影响越大。这样，就可以由R的大小把各因素的主次关系，由主到次：B→A→C→D→E。

(4)从表2可知，5个因素中，对巷道断面收敛率影响最大的因素和水平依次为：埋深(水平4，900 m)→支承压力集中系数(4，3.0)→锚索布置(3，3根)→顶煤厚度(4，1 m)→煤层强度(2，2 MPa)。

根据以上的分析结果，可以看出：应力对巷道断面影响最为明显，其次为锚索和煤层参数。

以巷道断面收缩率为目标函数，以埋深、支承压力、顶煤厚度、锚索根数和煤体强度为自变量，采用多项式二次回归方法，拟合出二次方程：

(1)

式中，Y为巷道断面收敛系数；X1为埋深；X2为支承压力系数；X3为顶煤厚度；X4为锚索根数；X5为煤体强度。

结合鹤煤公司九矿3204孤岛工作面的工程地质条件，5个因素中，仅变化其中一个因素，可得随着各参量的变化巷道围岩的收敛规律，如图3所示。

图3 巷道收敛变形随各因素变化的规律

当巷道埋深从450 m增加到1 050 m时，巷道断面收敛系数从10.20%逐渐增加到38.33%，呈现线性增加的规律。

随着支承压力集中系数K逐渐增加，巷道断面收敛系数增加较为明显，δ从K=1.0时的18.50%增加到K=3.6时的33.58%；其影响规律与巷道埋深类似。

当顶煤厚度从1.0 m增加到3.6 m时，巷道断面收敛量先增加后减小，临界值为2.4 m左右，这符合锚杆—锚索协同支护的规律。顶煤厚度增加，在锚杆、锚索作用下所形成的锚固梁厚度较大，下沉量亦减小。但整体上看，顶煤厚度对断面收敛的影响大致在25%左右浮动，变化量不大。

当煤层强度从1.0 MPa增加到6.0 MPa时，巷道断面收敛值逐渐减小，但再增加强度时，对断面收敛值影响不明显。

巷道锚索变化时，巷道收敛量呈现先增加后减小的趋势，临界值为N=4根锚索。

因此，针对鹤壁矿区条件下，在支承压力集中系数K=3.5时，应保证巷道顶板至少有4根锚索才能保证其断面收敛量控制在30%左右。

鹤煤公司九矿3204工作面巷道，其埋深为760 m，支承压力系数1.5～3.5；锚索根数3根或4根，煤体强度3.8 MPa，顶煤厚度为1.64 m，计算可得巷道围岩收敛率系数为11.99%～28.42%。

3 工业试验

鹤煤公司九矿3204孤岛工作面巷道为沿空掘巷布置，小煤柱宽度为3 m左右，掘进期间，在支承压力作用下，即发生了较大的变形，“网兜”现象比较常见，偶发锚杆和锚索断裂；托顶煤厚度为2.0 m左右时，钢带被锚杆撕裂现象较为常见，巷道成型较差，顶板下沉加剧，安全隐患大。为此，除了加强锚网索支护质量管理外，及时调整支护参数，锚索排距缩减为700 mm，改为“4-3-4”布置，局部地段采用组合式液压抬棚及单体液压支柱进行贴帮支护。采用新的支护参数后，工作面回采期间，巷道面貌大为改观，只有局部地段进行了返修，满足了回采工作面正常推进的需要。矿压观测数据如图4所示。

图4 围岩变形量

4 结论

调研了鹤煤公司厚煤层回采巷道围岩控制情况，发现被动U型钢支护和常规的锚杆索支护存在巷道变形量大、返修率高的情况。采用正交数值分析方法，对影响巷道围岩变形的因素进行了分析，并进行了工业性试验。

(1)采用单一的U型钢支架，已无法满足鹤壁矿区深部回采巷道围岩控制的需要，存在巷道变形量大、返修率高、工人劳动强度大和成本高等缺点。随着支护技术的进步，高强度、高刚度、高预紧力的强力支护技术应为鹤壁矿区全煤回采巷道围岩控制的首选。

(2)采用正交数值方法对鹤壁矿区主采的全煤回采巷道的支护参数进行了模拟分析。对巷道断面收敛影响由大到小的顺序：埋深→支承压力集中系数→锚索布置→顶煤厚度→煤层强度。

(3)采用多元回归分析方法，拟合了巷道断面收敛系数与埋深H、支承压力系数K、锚索根数N、煤体强度σ、顶煤厚度h的关系式；结合鹤煤公司九矿3204工作面巷道的工程地质条件，当支承压力系数由1.5增加到3.5时，所对应的围岩收敛系数从11.99%增加到28.42%。