孤島工作面沿空巷道錨固體結(jié)構(gòu)對巷道的影響

馬占元

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

同煤集團(tuán)晉華宮礦煤巷支護(hù)主要采用錨桿支護(hù)，部分條件不好的區(qū)段也采用了工字鋼架棚支護(hù)，但生產(chǎn)實(shí)踐表明，原有的支護(hù)參數(shù)不盡合理，對錨固體結(jié)構(gòu)對巷道的影響認(rèn)識不足，沒有充分發(fā)揮原錨桿的作用，這樣不但增加了巷道支護(hù)的直接成本，影響了巷道的掘進(jìn)進(jìn)尺。因此，研究煤巷錨桿與圍巖的作用關(guān)系、認(rèn)識錨固體結(jié)構(gòu)對巷道的影響已成為本煤礦煤巷支護(hù)改革的關(guān)鍵問題。本文以同煤集團(tuán)晉華宮某孤島工作面為例，對錨桿支護(hù)后的巷道進(jìn)行了支護(hù)效果模擬，利用壓力拱理論對支護(hù)效果與錨桿與圍巖的作用關(guān)系進(jìn)行了討論分析。

1 工作面沿空巷道維護(hù)特點(diǎn)

晉華宮礦某工作面與臨近采空采空區(qū)距離較近，煤柱留設(shè)小，結(jié)合其它實(shí)體煤巷現(xiàn)在的錨桿支護(hù)實(shí)踐，認(rèn)為該巷道在維護(hù)過程中具有以下顯著的特點(diǎn)：

1）巷道所處的外部力學(xué)環(huán)境相對有利。由于巷道兩側(cè)為采空區(qū)，因此本巷道基本上處于采空區(qū)的應(yīng)力降低區(qū)中，這對巷道維護(hù)是有利的。

2）巷道圍巖相對更加破碎。受臨近工作面開采影響，巷道圍巖在一定范圍內(nèi)的巖體會出現(xiàn)不同程度的破壞，這增加了巷道頂板維護(hù)的難度。

3）兩幫煤體的維護(hù)難度較大。尤其是煤柱側(cè)的巷道由于臨近工作面的開采，煤柱將承受較大的應(yīng)力，容易破碎，是造成巷道較大變形的隱患。

2 錨桿支護(hù)保持巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)

壓力拱作為一種承載結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性取決于兩個(gè)方面，第一是圍巖所處的力學(xué)環(huán)境，第二是圍巖自身的強(qiáng)度。圍巖所處的力學(xué)環(huán)境是在地下工程開挖之后圍巖自發(fā)形成的，很難改變，而錨桿支護(hù)實(shí)質(zhì)是通過改變圍巖自身的承載能力，使得巷道壓力拱結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。所以說，巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于錨桿對圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化的程度，錨桿對圍巖強(qiáng)化程度越高，圍巖結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

一般而言，煤體強(qiáng)度比較低，軟弱易破碎，錨桿的作用范圍一般處在圍巖的塑性區(qū)域與破碎區(qū)域，從錨桿支護(hù)強(qiáng)度的角度來解釋錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)，可以概括為以下兩個(gè)方面：

第一、處于峰后殘余強(qiáng)度中的巖體對于支護(hù)的反應(yīng)程度是相當(dāng)靈敏的，而錨桿的錨固范圍一般處在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，因此，哪怕是微小的支護(hù)強(qiáng)度的增加，圍巖的殘余強(qiáng)度與極限強(qiáng)度都會得到很大的提升。所以，對于處在峰后殘余強(qiáng)度中的錨桿來說，錨桿實(shí)質(zhì)是通過有效的提高錨固區(qū)內(nèi)的圍巖的殘余強(qiáng)度與極限強(qiáng)度來控制圍巖的變形破壞。

第二、從圍巖自身力學(xué)性質(zhì)來說，較高的錨桿支護(hù)密度，相當(dāng)于提高了圍巖的彈性模量E、粘聚力C 和內(nèi)摩擦角Φ，所以，提高錨桿的支護(hù)密度即相當(dāng)于提高支護(hù)強(qiáng)度，錨桿與圍巖共同組成的巷道圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也得到了提高〔35〕。

所以，錨桿支護(hù)的實(shí)質(zhì)其實(shí)是兩個(gè)方面，一是合理的預(yù)緊力提高了破碎區(qū)圍巖的殘余強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，二是較高的支護(hù)強(qiáng)度提高了巷道圍巖自身小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 錨固體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

1）錨桿及錨索支護(hù)參數(shù)的確定

針對該巷道實(shí)體煤巷道的維護(hù)特點(diǎn)，通過懸吊理論計(jì)算，并結(jié)合本區(qū)的情況，錨索間距確定為1600mm，對該孤島工作面兩巷的錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，最終確定錨桿長度為3m，間排距為700mm×700mm，巷道錨桿支護(hù)斷面見圖1。

圖1 巷道支護(hù)斷面

2）邊界條件及力學(xué)參數(shù)的確定

模型計(jì)算時(shí)，前后固定y方向位移，左右固定x方向位移，底部為全約束。模型頂部施加垂直荷載，其值根據(jù)模型之上的巖層厚度由公式σ=γh計(jì)算得出。計(jì)算模型的力學(xué)邊界條件見圖2。

圖2 邊界條件

各巖層物理及節(jié)理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3）模擬結(jié)果分析

在此基礎(chǔ)上，利用FLAC3D對錨桿支護(hù)后的巷道進(jìn)行了支護(hù)效果模擬，孤島面沿空巷道錨桿支護(hù)模型的建立過程為，在臨近各工作面依照順序依次開挖計(jì)算后，將兩巷一次掘進(jìn)完成，打入錨桿后再開始計(jì)算平衡狀態(tài)。錨桿長度及間排距參照圖1。在計(jì)算完成后，記錄錨桿支護(hù)后巷道截面的水平應(yīng)力云圖，切向應(yīng)力云圖及垂直應(yīng)力云圖，根據(jù)應(yīng)力分析法，可以分別確定出支護(hù)后巷道截面壓力拱拱結(jié)構(gòu)的拱頂點(diǎn)、拱腰點(diǎn)和拱座的關(guān)鍵點(diǎn)，將各圖結(jié)果繪于同一圖中后，可得錨桿支護(hù)后的巷道圍巖壓力拱結(jié)構(gòu)（見圖3）。

圖3 支護(hù)后的巷道壓力拱形態(tài)

由以上利用壓力拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析法確定出的有錨桿支護(hù)的巷道壓力拱的結(jié)構(gòu)形態(tài)，對比支護(hù)前的巷道壓力拱結(jié)構(gòu)，各關(guān)鍵點(diǎn)位置情況見表2。以下分別從拱頂，左半拱及右半拱三個(gè)方面對支護(hù)前后壓力拱結(jié)構(gòu)的變化情況進(jìn)行分析。

（1）拱頂，支護(hù)前孤島工作面下風(fēng)巷的巷道圍巖壓力拱的拱頂位置在10.1m 處的老頂上部，在打入錨桿后，拱頂高度下降至距巷道底板8.1m 的位置，位于老頂中部，其高度相對于支護(hù)前減小了2.0m。

（2）左半拱位于煤柱側(cè)，該側(cè)拱拱座處外邊界支護(hù)前距巷道幫部的距離為2.9m，在支護(hù)后，其位置向巷道外側(cè)移動了0.2m 的距離。對于左半拱拱座處的內(nèi)邊界線位置而言，支護(hù)前其位置距巷道內(nèi)幫的距離為1.1 m，支護(hù)后，其位置向巷道內(nèi)側(cè)移動了0.2 m 的距離。可以看出，支護(hù)后，巷道圍巖中的壓力拱內(nèi)邊界內(nèi)縮，外邊界外擴(kuò)，拱帶寬度變厚了，與支護(hù)前的最大拱帶寬度1.8m 相比，支護(hù)后，最大拱帶寬度達(dá)到了2.2m。此時(shí)的壓力拱左半拱結(jié)構(gòu)承載能力加大，穩(wěn)定性變強(qiáng)。

（3）對于支護(hù)前的壓力拱的右半拱，其工作處外邊界線的位置距巷道幫部距離為9.7m，錨桿支護(hù)后，該關(guān)鍵點(diǎn)位置也有向巷道外側(cè)移動的趨勢，但移動幅度較左側(cè)而言更加明顯，支護(hù)后的巷道壓力拱右半拱的外邊界線距巷道幫部的距離為8.1m 增加了1.6m 的距離。其內(nèi)邊界與左半拱近似，在支護(hù)前的位置距巷道右?guī)偷木嚯x約為7.2 m，支護(hù)后也有向內(nèi)收縮的趨勢，但其向內(nèi)移動距離值為1.8m。

以上數(shù)值模擬可知，錨桿支護(hù)后，新壓力拱的各關(guān)鍵點(diǎn)位置朝著拱高降低，拱帶厚度增加，拱體向巷道內(nèi)側(cè)收縮的有利狀態(tài)變化。這說明在錨桿支護(hù)，壓力拱結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定了，圍巖的自身承能力增強(qiáng)。

4 結(jié)語

1）錨桿與圍巖的作用關(guān)系包括兩個(gè)方面，一是提供高阻力以保證淺部圍巖的破碎向深部轉(zhuǎn)移的速度減慢；二是與對圍巖變形讓壓，這是錨桿與圍巖共同組成的巷道結(jié)構(gòu)能否長期有效的穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2）對圍巖變形提供高阻力，錨桿合理的預(yù)緊力是錨桿支護(hù)能否有效的抑制圍巖淺部破碎巖體向圍巖深部移近的關(guān)鍵，同時(shí)也是保證錨桿作為一種主動支護(hù)方式的前提條件。

3）在預(yù)緊力允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對圍巖一定讓壓，是錨桿支護(hù)能否長期有效支護(hù)住圍巖的關(guān)鍵，在預(yù)緊力允許范圍之內(nèi)的讓壓，是巷道錨桿支護(hù)能發(fā)揮其支護(hù)作用的重要保障。

4）通過數(shù)值模擬的方法確定了巷道錨桿支護(hù)后的巷道圍巖結(jié)構(gòu)的形態(tài)，支護(hù)后的巷道圍巖結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的位置均朝著使得拱結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的方向變化，圍巖的自身承載力增強(qiáng)。

5）分析了沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的基本原理，沿空巷道的穩(wěn)定取決于圍巖錨固體小結(jié)構(gòu)與巷道上覆巖體大結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系，圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是保持沿空掘巷穩(wěn)定的根本。

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