大傾角松軟厚煤層回風(fēng)平巷支護(hù)研究

趙文宜 王國棟 顏愛華

(1.山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司唐陽煤礦，山東省曲阜市，273100；2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

1 工程概況

1.1 支護(hù)方式

杜家村礦井田地層基本構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，地層傾角30～35°，最大45°，地層較簡單。主采2＃煤層，直接頂和直接底多為泥巖、粉砂巖，較破碎，煤層松軟。杜家村礦1201南回風(fēng)平巷為近似矩形的梯形斷面形式，破底板掘進(jìn)。采用前探梁臨時(shí)支護(hù)，工字鋼棚永久支護(hù)形式。巷道的斷面及支護(hù)示意圖如圖1所示。

1.2 變形破壞特征

1201巷道沿煤層的底板掘進(jìn)，頂板和兩幫圍巖絕大部分都是松軟的煤體，巷道成形初期，圍巖應(yīng)力重新分布并產(chǎn)生一定量的變形，經(jīng)過一個(gè)月后開始逐漸穩(wěn)定，這一時(shí)期的變形主要表現(xiàn)為頂板的下沉，部分棚頭的中部產(chǎn)生彎曲變形。

圖1 1201南回風(fēng)平巷支護(hù)斷面示意力圖

｀巷道成形3～4個(gè)月以后，巷道變形又開始加劇，破壞形式突出表現(xiàn)為頂板下沉量大，部分地段工字鋼棚扭曲嚴(yán)重，支護(hù)剛度被破壞，頂棚沿巷道走向方向扭曲，棚腿也出現(xiàn)沿巷道表面滑移的情況，部分背板被折斷。

回采期間，觀測點(diǎn)在距離工作面煤壁110～90m時(shí)變形很小，處于回采影響范圍以外；距離工作面煤壁小于90m以后，兩幫收斂量和頂?shù)装迨諗苛吭鏊偌哟?，說明巷道變形已經(jīng)處于回采影響范圍以內(nèi)；距離煤壁距離小于25m時(shí)，巷道變形量急劇增加，特別是在20～5m的范圍內(nèi)，工作面每推進(jìn)1m，兩幫平均收斂38mm，頂?shù)装迤骄諗?1mm。

2 1201南回風(fēng)平巷變形機(jī)理分析

2.1 巷道斷面因素

1201巷道斷面為梯形，在有拐角的地方有較大的應(yīng)力集中；在直長邊容易出現(xiàn)拉應(yīng)力。1201南回風(fēng)平巷采用近矩形斷面，并且巷道寬度大于高度，因此，巷道的頂、底板容易出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。該巷道的頂板是松軟的煤體，抗拉強(qiáng)度極低，在較低水平的拉應(yīng)力下就會發(fā)生破壞，圍巖破壞以后會發(fā)生碎脹，繼而對支護(hù)體產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，應(yīng)力增大到一定程度，鋼棚發(fā)生剛度破壞，如果不及時(shí)控制圍巖繼續(xù)變形，破碎的煤體會不斷從金屬網(wǎng)孔間漏出，并有可能引發(fā)冒頂。

2.2 支護(hù)方式因素

(1)1201南回風(fēng)巷采用的是礦用工字鋼金屬支架支護(hù)，巷道變形量大且持續(xù)時(shí)間長，說明巷道支架-圍巖系統(tǒng)處于給定變形狀態(tài)。由于圍巖變形過大，支架應(yīng)力過大造成支架扭曲。

(2)巷道采用的是一次永久支護(hù)，支架在給定變形狀態(tài)下支護(hù)阻力不斷增大，當(dāng)附加應(yīng)力超過一定值時(shí)，支架破壞。

(3)由于支架棚頭和棚腿之間是焊接的，可縮性很小。隨著圍巖的變形，支架不能夠適時(shí)收縮以適應(yīng)圍巖的一定變形，導(dǎo)致支架-圍巖系統(tǒng)不能達(dá)到耦合，不能夠充分發(fā)揮支架的支護(hù)效果。

(4)支架不具備初始工作阻力。支架架設(shè)后沒有進(jìn)行壁后充填和噴射混凝土，而只是在支架后方加塞水泥背板，這種方式基本上不能夠提供初始工作阻力，只是被動地承受圍巖的變形。

上述原因說明1201南回風(fēng)巷采用的支護(hù)形式不能適應(yīng)巷道特殊的地質(zhì)條件和斷面形式。

3 回風(fēng)平巷支護(hù)方式研究

3.1 新的巷道斷面和支護(hù)方式的提出

分析本礦現(xiàn)在巷道的各種支護(hù)方案，比較后提出直墻切圓拱斷面適中，可減少無效使用斷面，同時(shí)減少掘進(jìn)工作量和支護(hù)材料消耗，還能夠使巷道頂部圍巖處于較好的受力狀態(tài)。由于錨桿支護(hù)兼有主動支護(hù)和柔性支護(hù)的特點(diǎn)，結(jié)合巷道的地質(zhì)和圍巖條件可考慮采用錨帶網(wǎng)＋錨索支護(hù)的形式，見圖2。

圖2 巷道斷面及支護(hù)方式

3.2 錨帶網(wǎng)＋錨索支護(hù)數(shù)值模擬研究

運(yùn)用FLAC3D分別模擬了巷道開挖以后在無支護(hù)狀態(tài)和錨帶網(wǎng)＋錨索支護(hù)狀態(tài)下巷道的變形和圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)。有支護(hù)的巷道采用?20mm×2500mm錨桿、全錨方式，并在頂板采用?15.24mm×7000mm錨索、“五花”式布置，排距2400mm；用軟件中內(nèi)置的梁單元模擬目前礦上常用的尺寸為寬280mm、厚5mm的 “W”型鋼帶。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 最大變形量

由模擬結(jié)果可知，無支護(hù)時(shí)圍巖的最大變形量集中在拱頂左側(cè)和左幫上部，最大變形量為576.3mm；支護(hù)狀態(tài)下圍巖最大變形量集中在左幫上部，最大變形量為239.42mm，可見，支護(hù)有效控制了圍巖變形。由于拱頂有錨索的加強(qiáng)支護(hù)，拱頂?shù)淖畲笞冃瘟吭?00mm左右，拱頂兩根錨桿之間變形量大于錨桿處的變形量，變形云圖顯示沿鋼帶出現(xiàn)波浪狀的花紋，這說明錨桿和鋼帶的聯(lián)合支護(hù)作用得到有效地發(fā)揮。支護(hù)后左幫上部與拱頂相連的部位變形量最大，這個(gè)部位的錨桿會承受較大的變形附加力，現(xiàn)場中，這個(gè)部位的錨桿的托盤可能會因不能承受過大的托錨力而出現(xiàn)破壞。

3.3.2 圍巖垂直位移

圍巖垂直位移主要集中在頂?shù)装?，頂板部分煤體圍巖的變形量明顯大于巖體圍巖，兩種狀態(tài)下頂板的最大下沉量分別為548.28mm和202.46mm，底板的最大鼓起量分別為163.06mm和112.52 mm，支護(hù)以后圍巖的整體垂直位移得到了有效地控制。模擬計(jì)算過程中監(jiān)測了拱頂和底板中部位置的變形過程，把變形數(shù)據(jù)導(dǎo)出繪制成變形量隨計(jì)算時(shí)步變化曲線，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)圍巖垂直位移曲線圖

底板中部位于煤體和巖體的交界處，支護(hù)前后底臌量變化不大，只有4.5mm左右，遠(yuǎn)小于煤體圍巖底臌量。底板中部鼓起量達(dá)到最大值后開始減小，經(jīng)過1000時(shí)步后又有少量的反彈。這是因?yàn)榈装鍘r體變形到一定程度基本不再繼續(xù)變形，而由于煤體較軟，會繼續(xù)變形而引起圍巖的整體沉降，圍巖的整體變形和局部變形合成導(dǎo)致底板監(jiān)測點(diǎn)絕對位移出現(xiàn)這種特點(diǎn)。支護(hù)前后底板監(jiān)測點(diǎn)的位移變化規(guī)律是相似的，但支護(hù)后底臌量有一定程度的降低，說明支護(hù)對抑制底臌也起到一定作用。支護(hù)前后，頂板監(jiān)測點(diǎn)垂直位移變化較大，從540mm下降至120mm。從監(jiān)測點(diǎn)頂板下沉量變化曲線看出，在2800時(shí)步之前，兩種狀態(tài)下的頂板下沉是一致的，之后則截然不同，無支護(hù)狀態(tài)下頂板繼續(xù)“高速”下沉，經(jīng)過幾次調(diào)整以后，到5500時(shí)步時(shí)開始穩(wěn)定下來；在支護(hù)狀態(tài)下，頂板下沉速率變得很小，到4500時(shí)步時(shí)就開始穩(wěn)定下來。

3.3.3 圍巖的水平位移

分析圍巖的水平位移可知，無支護(hù)狀態(tài)下，水平位移量大的部位主要集中在巷道的左幫和右?guī)蜕喜繃鷰r，即煤體圍巖部分。左幫中上部最大水平位移量488.58mm，右?guī)蜕喜孔畲笏轿灰屏?66.01mm。支護(hù)狀態(tài)下，圍巖的水平位移量得到有效控制，特別是右?guī)蛡?cè)頂板巖體內(nèi)的水平位移控制效果明顯，左幫上部最大水平位移量228.36mm，右?guī)妥畲笏轿灰屏?73.87mm?？梢姡ёo(hù)以后圍巖的水平位移也得到了有效控制。兩幫中部監(jiān)測點(diǎn)水平位移隨時(shí)步變化的曲線如圖4所示。

右?guī)捅O(jiān)測點(diǎn)位于巖體圍巖部位，支護(hù)前后位移量都只有5mm左右，遠(yuǎn)小于左幫監(jiān)測點(diǎn)位移。和頂?shù)装宓拇怪蔽灰谱兓?guī)律相似，在2800時(shí)步之前，位移都在相對較高的速率下發(fā)生，這之后，無支護(hù)狀態(tài)下兩幫繼續(xù)在較高的速率下變形，直至5000時(shí)步時(shí)開始穩(wěn)定下來，支護(hù)狀態(tài)下則位移速率減小，至4500時(shí)步就開始穩(wěn)定下來。支護(hù)對控制左幫煤體的位移非常明顯，而對右?guī)蛶r體部分的位移控制相對不明顯。

因?yàn)殄^桿、錨索都具有一定的延伸率，圍巖變形初期，支護(hù)體產(chǎn)生彈性變形，允許圍巖有一定量的變形，體現(xiàn) “主動支護(hù)”和 “柔性支護(hù)”的特點(diǎn)，當(dāng)超過錨桿 (索)的彈性極限以后，錨桿(索)體現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化的特點(diǎn)，支護(hù)體限制圍巖的繼續(xù)變形，相當(dāng)于對巷道進(jìn)行了 “二次支護(hù)”。因此，錨帶網(wǎng)＋錨索支護(hù)方式對控制圍巖的變形具有比較理想的效果。

3.3.4 圍巖的最大主應(yīng)力

分析巷道圍巖的最大主應(yīng)力可知，無支護(hù)狀態(tài)下，煤體圍巖中最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)域，特別是沿頂板方向和左幫方向，拉應(yīng)力的延伸深度可達(dá)巷道寬度的2～3倍。支護(hù)狀態(tài)下，圍巖中最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力區(qū)的范圍明顯減少，且拉應(yīng)力區(qū)都處于錨桿錨固范圍以內(nèi)。無支護(hù)狀態(tài)下最大主應(yīng)力中的最大拉應(yīng)力為1.05kPa；支護(hù)后的最大拉應(yīng)力為160.7kPa?？梢?，支護(hù)前圍巖中最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)域范圍較大但應(yīng)力數(shù)值很小，支護(hù)以后最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)域范圍明顯減小，但應(yīng)力數(shù)值相對較大。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)圍巖水平位移曲線圖

3.3.5 最小主應(yīng)力

分析最小主應(yīng)力可知，對比兩種狀態(tài)下的應(yīng)力云圖可知，圍巖中最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力的部位都集中在底板右側(cè)和右?guī)偷南虏康葘儆诘装鍌?cè)巖體的部位，范圍大小大致相同。無支護(hù)狀態(tài)下的最大拉應(yīng)力數(shù)值為0.59MPa，支護(hù)后的最大拉應(yīng)力數(shù)值為0.88MPa，變化較小，但相比之下，支護(hù)以后圍巖中最小主應(yīng)力的壓應(yīng)力數(shù)值普遍升高，應(yīng)力梯度加大，使應(yīng)力在較小的圍巖范圍內(nèi)過渡到原巖應(yīng)力水平。

通過對兩種狀態(tài)下圍巖主應(yīng)力的分析可知，錨桿支護(hù)后可以明顯減少圍巖中的拉應(yīng)力分布范圍，可以使圍巖處于相對較高的壓應(yīng)力狀態(tài)，對改善巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)效果顯著。

3.3.6 圍巖塑性區(qū)分布

支護(hù)以后圍巖塑性區(qū)明顯減小，特別是其在煤體中的發(fā)展得到了較好的控制。兩種狀態(tài)下，深部圍巖的塑性破壞主要以剪切破壞為主；淺部圍巖中，兩幫和底板都發(fā)生拉破壞，但拱頂部分都沒有發(fā)生拉破壞，說明拱形頂可以使圍巖處于較好的受力狀態(tài)以避免發(fā)生拉破壞。

綜合分析巷道在無支護(hù)狀態(tài)和錨帶網(wǎng)＋錨索支護(hù)狀態(tài)下圍巖的變形、應(yīng)力分布和塑性破壞的不同點(diǎn)得知，新提出的支護(hù)形式能夠有效改善巷道圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)和控制圍巖破壞和變形。

4 應(yīng)用效果

采用錨帶網(wǎng)＋錨索支護(hù)方式以后，對巷道的變形情況進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 1201北回風(fēng)巷表面位移觀測匯總

觀測過程中，2＃、4＃測站附近出現(xiàn)淋水，進(jìn)行了復(fù)棚加強(qiáng)支護(hù)后基本穩(wěn)定，其它測站附近巷道開掘后達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間在30～40d之間。變形體現(xiàn)出頂?shù)装逡平恳话愣即笥趦蓭鸵平康奶攸c(diǎn)；頂板淋水對巷道變形影響較嚴(yán)重，出現(xiàn)淋水后圍巖變形加速，需要復(fù)棚加強(qiáng)支護(hù)。

采用新的支護(hù)方式以后，巷道變形得到控制，效果明顯好于棚式支護(hù)方式。

5 結(jié)論

(1)巷道采用寬度大于高度的矩形斷面會使圍巖處于較差的應(yīng)力狀態(tài)；架棚與巷道圍巖不能實(shí)現(xiàn)變形耦合，巷道變形的附加應(yīng)力容易使鋼棚破壞而失去支護(hù)作用，這是巷道產(chǎn)生大變形的主要原因。

(2)采用直墻切圓拱形斷面可使巷道圍巖處于較好的應(yīng)力狀態(tài)，為避免圍巖產(chǎn)生大變形提供了支護(hù)基礎(chǔ)。

(3)采用錨帶網(wǎng)＋錨索的支護(hù)形式可有效控制大傾角松軟煤層圍巖變形，可使圍巖處于較高的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，極大減少圍巖中拉應(yīng)力的存在，可較大程度上減少圍巖塑性區(qū)破壞范圍，總體支護(hù)效果較棚式支護(hù)好。

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