不同水平應(yīng)力對U鋼支架支護(hù)巷道穩(wěn)定性影響的研究

張 盛，張易飛，王云龍

(1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454001；2.山西焦煤霍州煤電汾河公司回坡底礦，山西 臨汾 041600)

構(gòu)造應(yīng)力是由于地殼運(yùn)動在巖體中引起的應(yīng)力。其主要特點是以水平應(yīng)力為主，具有明顯的區(qū)域性和方向性，它是影響巷道圍巖穩(wěn)定的重要因素之一[1]。當(dāng)水平應(yīng)力較高時，巷道頂板冒落、底板底鼓以及兩幫內(nèi)擠等災(zāi)害時有發(fā)生，有時會嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全[2-3]。因此掌握在構(gòu)造應(yīng)力場中受采動影響巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對研究和改善巷道的穩(wěn)定性有著重要的意義[4-5]。

鶴煤公司二礦的347工作面屬于煤柱工作面，所開采煤層為二疊系山西組下部的二1煤層，屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。盡管347工作面順槽埋深約500m，但煤柱工作面受到較高的集中應(yīng)力，再加上附近經(jīng)常出現(xiàn)的斷層和采用沿空掘巷，巷道不同地段受到較高的水平應(yīng)力的作用，所采用的U36型鋼支架有不同程度的屈服變形，巷道的正常使用受到影響。

鑒于此，為了更好地掌握不同水平應(yīng)力對巷道的影響，完善支護(hù)設(shè)計，本文基于鶴煤公司二礦347煤柱工作面順槽的地質(zhì)條件，運(yùn)用Flac3D模擬軟件，對不同側(cè)應(yīng)力影響下U36型鋼支護(hù)狀態(tài)下巷道周圍的塑性區(qū)分布及其位移量變化進(jìn)行了研究。

1 FLAC3D模型的建立及其參數(shù)的選取

347煤柱工作面煤層頂、底板組合層序是明顯接觸關(guān)系。老頂砂巖為淺灰色中～粗粒以石英、長石為主，次為暗色礦物，鈣質(zhì)膠結(jié)，層面含碳質(zhì)及白云母片，厚度8.5m；直接頂為深灰色砂質(zhì)泥巖，植物化石發(fā)育，厚度2m；偽頂不發(fā)育，黑色碳質(zhì)泥巖，厚度0.2m。煤層直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，植物根部化石發(fā)育，厚度1.5m；老底為灰色砂巖，中～厚層狀、中～粗粒、鈣質(zhì)膠結(jié)以石英、長石為主，含白云母具有碳質(zhì)層面水平層理，厚度31.5m。

根據(jù)鶴煤公司二礦的347工作面順槽的具體條件，該模型寬70m，高70m，巷道位于模型中央，模型下邊界設(shè)為固定約束，上邊界自由，作用垂直應(yīng)力σy=∑γiHi=8.4MPa；左邊界約束；右邊界自由，作用水平應(yīng)力σx=λσy(λ為側(cè)壓系數(shù))。巖體的彈塑性分析采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。U型鋼可縮性支架由二節(jié)點梁單元模擬，支架搭接部分采用等效材料方法處理。底邊為固定約束， 水平方向在一面上進(jìn)行位移約束，模型沿軸向即z向沒有位移，即x、y和z三個方向上均無位移。模擬所采用的巖體力學(xué)參數(shù)經(jīng)過對應(yīng)的巖石進(jìn)行室內(nèi)試驗并進(jìn)行折減，如表1所示。

表1 二1煤及頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)

2 水平應(yīng)力對巷道塑性區(qū)范圍的影響

當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ為1～2時，347工作面上順槽圍巖塑性區(qū)分布特性如圖1所示。

圖1 不同側(cè)壓力系數(shù)下巷道塑性區(qū)分布

從圖1可以看出，當(dāng)λ=1時，塑性區(qū)的單元格數(shù)為86。當(dāng)λ=1.2時，塑性區(qū)的單元格數(shù)為96，頂板，底板和兩幫都有若干單元格數(shù)增加。當(dāng)λ=1.4時，塑性區(qū)的單元格數(shù)為110，相對于λ=1時來說，底板單元格數(shù)增加較多。當(dāng)λ=1.6時，塑性區(qū)單元格數(shù)為126，頂板和底板塑性區(qū)單元格數(shù)明顯增加。當(dāng)λ=1.8時，塑性區(qū)單元格數(shù)為138，塑性區(qū)兩幫上頂板向上延伸明顯。當(dāng)λ=2時，塑性區(qū)單元格數(shù)為170，此時塑性區(qū)范圍已明顯增加，尤其是頂板的兩個肩部和底板，兩幫相對較弱。當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ=1時，此時巷道的塑性區(qū)分布相對較均勻，底板塑性區(qū)分布較深。隨著側(cè)壓力系數(shù)以0.2的增量往上增加，U36鋼支護(hù)巷道的頂板和底板的塑性區(qū)分布較大，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)增至2時，巷道的塑性區(qū)范圍已從原來的橢圓形發(fā)展成為無規(guī)則的發(fā)散形。

3 水平應(yīng)力對巷道位移分布的影響

當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ為1～2時，347工作面上順槽圍巖位移分布如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)λ=1時，巷道的最大位移為24mm；當(dāng)λ=1.2時，巷道的最大位移為28mm；當(dāng)λ=1.4時，巷道的最大位移為36mm；當(dāng)λ=1.6時，巷道的最大位移為40mm；當(dāng)λ=1.8時，巷道的最大位移為50mm；當(dāng)λ=2時，巷道的最大位移為55mm。從整體上來講，在所采用的巖體參數(shù)模擬情況下，U36型鋼對側(cè)壓力系數(shù)在2以下的情況下對巷道的控制效果是較為理想的，但是最大位移值隨著水平應(yīng)力的增大發(fā)生了1.0～2.3倍的增加，巷道頂板和底板比兩幫的變形更為嚴(yán)重，兩幫的變形較小，而頂板，尤其是巷道的肩部變形較為嚴(yán)重，底臌量增加的特別明顯。數(shù)值模擬時，假設(shè)U鋼支架與巷道表面圍巖緊密接觸，支架均勻受力，實際上，在現(xiàn)場支護(hù)過程中，U鋼支架與圍巖存在很多空隙，這使得支架的受力不均衡，容易引起支架局部受力而發(fā)生塑性破壞。所以，隨著水平應(yīng)力的增加，支架局部應(yīng)力集中的程度會更高，極容易引起支架局部失穩(wěn)而破壞。如果在構(gòu)造附近巖體破碎導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度下降，在水平應(yīng)力不斷增加的作用下，巷道的變形會非常劇烈，在這樣的情況下必須采取相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施，對巷道的肩部和柱腿進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù)，對于嚴(yán)重底臌巷道要進(jìn)行底板支護(hù)。

圖2 不同側(cè)壓力作用下的巷道總位移變化圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

運(yùn)用Flac3D模擬軟件，對鶴煤公司二礦347煤柱工作面順槽在不同水平應(yīng)力影響下，U36型鋼支護(hù)狀態(tài)下巷道周圍的塑性區(qū)分布及其位移量變化的進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，巷道的塑性區(qū)和總位移在不斷增加。但是相對而言，U36型鋼對巷道兩幫的控制效果更好，隨著水平應(yīng)力的增加，巷道頂板和底板比兩幫的變形更為嚴(yán)重，尤其是巷道的肩部變形較為嚴(yán)重，底臌量增加的特別明顯。

當(dāng)在構(gòu)造附近，或者沿采空區(qū)沿空掘巷時，此時巖體破碎，且水平構(gòu)造應(yīng)力較大，單純U36型鋼支護(hù)難以保證巷道的穩(wěn)定，必須采取加強(qiáng)支護(hù)措施，根據(jù)分析重點是針對U型鋼的肩部和底板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，當(dāng)在高水平應(yīng)力的影響下，要對底板進(jìn)行治理，采用封閉式支架或底板注漿等措施。

由于347煤柱工作面順槽服務(wù)周期短，不適宜于進(jìn)行底板注漿或封底支護(hù)。因此，針對該工作面的高水平應(yīng)力條件，采用結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型U型鋼支護(hù)方式，支護(hù)的具體參數(shù)如圖3所示，結(jié)果表明，當(dāng)采用U36結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型支架支護(hù)兩個月后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笪灰屏靠刂圃诹?00mm以內(nèi)，巷道表面的最大變形速率控制在了9mm/d以內(nèi)，有效地控制了巷道的變形。

圖3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計

5 結(jié)語

U型鋼支護(hù)是一種被動式支護(hù)方式， 隨著水平

應(yīng)力的增加，巷道兩幫的變形相對較小，巷道頂板和底板比兩幫的變形更為嚴(yán)重。在高水平應(yīng)力條件下，必須采取加強(qiáng)支護(hù)措施，尤其要對U型鋼支護(hù)的肩部和底板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，如果在服務(wù)周期較長的高水平應(yīng)力應(yīng)力巷道，還必須采用封閉式支架或錨網(wǎng)索、底板注漿等措施要對底板進(jìn)行治理。

[1] 錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

[2] 勾攀峰，張振普，韋四江．不同水平應(yīng)力作用下巷道圍巖破壞特征的物理模擬試驗[J]．煤炭學(xué)報，2009， 3(10)：1328-1332．

[3] 勾攀峰，韋四江，張盛．不同水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的模擬研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報，2010，27(2)：143-148．

[4] 張哲，唐春安，于慶磊，等.側(cè)壓系數(shù)對圓孔周邊松動區(qū)破影響的數(shù)值試驗研究[J]．巖土力學(xué)，2009，30(2)：413-418.

[5] 單曉云，梅海斌，徐東強(qiáng)，等.在構(gòu)造應(yīng)力場中采動對底板運(yùn)輸巷道穩(wěn)定性的影響[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(12)：2101-2106．