极近距离采空区下巷道破坏特征与双工字钢分级支护控制技术研究

《Journal of Geophysics and Engineering》：Failure characteristics of entry under ultra-close goaf and graded control technology using double I-beam support systems

本刊推荐：针对极近距离煤层开采导致层间岩层破碎、下伏巷道围岩控制困难的问题，研究人员以邓冒通煤矿3210运输巷为工程背景，通过现场观测、力学试验、数值模拟与工程验证相结合的方法，开展了基于双工字钢(DIB)支撑系统的分级控制技术研究。结果表明，DIB支撑系统较传统单工字钢(SIB)的抗拉、抗压和抗弯能力分别提升87%、79%和119%，现场应用使顶板最大下沉量减少44%-75%。该研究为极近距离煤层巷道稳定性控制提供了重要的理论依据和工程指导。

　　

随着我国煤炭资源的高强度开采，地质条件优越的厚煤层资源日渐枯竭，煤炭开采逐渐转向极近距离煤层的开发。在这一背景下，下行开采过程中的岩层控制问题变得尤为突出。当在下部煤层中掘进巷道时，上部煤层开采产生的应力扰动会形成复合损伤场，导致顶板岩层严重破碎，大大削弱围岩的自稳能力，引发巷道大变形、不对称变形和支护结构失稳等难题。传统支护系统在这种情况下往往难以保障安全生产，因此亟需开发适用于近距离采空区下巷道的协同控制技术。

邓冒通煤矿的3210运输巷正面临着这样的挑战。该巷道位于2210工作面采空区下方，层间距在1.5-7.9米之间变化，平均仅为4.7米。在原有单工字钢(SIB)支护方案下，巷道出现了严重的变形：顶板最大下沉量达到630毫米，帮部收敛超过110毫米，支护结构出现明显扭曲。这一现象引起了研究团队的关注，他们决定深入探究极近距离采空区下巷道的破坏机理，并开发有效的控制技术。

研究人员采用现场钻孔成像技术对层间岩层的破坏特征进行了详细调查。结果发现，层间距与岩层破坏程度密切相关：当层间距小于1.5米时，岩体完全破碎；层间距在1.5-2.5米之间时，钻孔部分保持形状但完整性较差；层间距在2.5-3.5米时，孔壁基本完整但出现典型的环状裂隙。通过岩石质量完整性指数(RMII)评估，这三个间距条件下的完整性指数分别为13%、41%和68%，呈现出明显的分级特征。

这一发现表明，传统的统一支护方案已无法满足不同层间距条件下的巷道稳定性要求。为此，研究团队提出了双工字钢(DIB)支撑系统，并通过实验室试验验证了其力学性能的优越性。试验结果显示，DIB在抗拉、抗压和抗弯能力上较SIB分别提高了87%、79%和119%，展现出更强的承载能力。

为了准确预测DIB支护系统在实际工程中的表现，研究团队建立了包含DIB结构的三维数值模型，模拟分析了不同支护方案（排距0.8、0.9、1.0米）和地质条件下的围岩控制效果。模拟结果表明，在层间距为1.5、2.5和3.5米条件下，DIB支护使顶板平均下沉量分别减少了64%、62%和59%。特别是在0.8米排距配置下，支护效果最为显著。

基于这些研究成果，研究团队开发了一套针对不同层间距条件的分级支护技术，并在3210运输巷进行了现场应用。监测数据显示，新支护系统使顶板最大下沉量在相应层间距条件下分别减少了75%、57%和44%，有效控制了巷道变形。

主要技术方法包括：通过钻孔成像和RMII指数评估层间岩体完整性；开展SIB和DIB的力学性能试验；建立FLAC3D数值模型并采用双屈服模型模拟采空区材料行为；基于现场监测数据验证模型可靠性；设计并实施分级支护方案进行工程验证。

层间破坏特征与稳定性分析

通过钻孔成像技术，研究人员系统分析了不同层间距条件下的岩体破坏规律。当层间距小于1.5米时，岩体呈现完全破碎状态，形成连续破裂带；层间距在1.5-2.5米之间时，岩体完整性较差，出现随机剥落现象；层间距达到2.5-3.5米时，岩体基本保持完整，但发育典型的环状裂隙。这些发现为分级支护设计提供了重要依据。

DIB支护力学性能验证

实验室力学试验表明，双工字钢支护系统在各项力学指标上均显著优于传统单工字钢。在压缩试验中，DIB的极限承载力达到982.08kN，比SIB提高79%；拉伸试验中，DIB的极限抗拉强度为581.95kN，提高87%；弯曲试验显示DIB的抗弯性能提升尤为明显，达到119%的增幅。这些数据为支护系统设计提供了坚实的力学基础。

数值模拟与参数验证

研究团队建立了精细的三维数值模型，采用Mohr-Coulomb弹塑性准则模拟围岩破坏，使用双屈服模型表征采空区垮落材料的变形行为。通过参数反演方法确定了采空区材料的应力-应变关系，验证了模型的可靠性。模拟结果与现场监测数据吻合良好，最大偏差不超过12%，证明了数值模型的有效性。

支护性能对比分析

数值模拟结果显示，DIB支护系统在不同层间距条件下均表现出优异的围岩控制效果。在层间距1.5米时，0.8米排距的DIB支护使顶板最大下沉量从553毫米降至182毫米，降幅达67%。随着层间距增大，支护效果更加显著，在3.5米层间距时，顶板下沉量可控制在48-55毫米范围内。应力分析表明，DIB结构的峰值应力均低于材料的屈服强度，保证了支护系统的安全性。

分级支护技术与现场应用

基于研究成果，研究团队制定了针对不同层间距条件的分级支护方案：1.5-2.5米间距采用排距0.8米的DIB支护；2.5-3.5米间距采用排距0.9米的DIB支护；3.5-5.5米间距采用排距1.0米的DIB支护；大于5.5米间距时采用锚索支护。现场应用表明，该方案有效控制了巷道变形，顶板下沉量显著降低。

理论分析与方案验证

通过自然平衡拱理论计算，得出巷道顶板破坏深度为1.1米，顶板压力为223.8kN/m。基于欧拉 buckling 理论对工字钢柱的临界承载力进行分析，结果表明DIB支护系统的排距设计在0.84-1.00米范围内是安全合理的。挠度计算显示，DIB顶梁的最大挠度远小于临界值，进一步验证了支护方案的可靠性。

研究结论与意义

该研究通过系统性的研究方法，揭示了极近距离采空区下巷道的破坏机理，开发了有效的分级控制技术。主要结论包括：层间距是影响围岩稳定性的关键因素，需要针对性地设计支护方案；DIB支护系统较传统SIB具有显著的力学性能优势；分级支护技术在现场应用中取得了良好的效果，为类似地质条件下的巷道支护提供了重要参考。

尽管该研究在特定地质条件下取得了成功，但研究人员也指出了研究的局限性，包括需要进一步研究DIB在重复动载和腐蚀环境下的长期性能，以及多煤层相互作用效应等问题。这些方向为未来研究提供了重要思路。

这项发表于《Journal of Geophysics and Engineering》的研究，不仅解决了邓冒通煤矿的实际工程问题，更重要的是为极近距离煤层开采条件下的巷道支护提供了系统的解决方案，对促进煤炭资源的安全高效开采具有重要意义。