加固頂板和兩幫控制回采巷道底臌研究*

丁國峰，王蘇健，謝文兵，鄧增社，王其洲

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116;2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州221116)

0 引 言

巷道開挖以后，破壞了巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)，引起圍巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖產(chǎn)生向巷道空間內(nèi)的位移。隨著巷道埋深的增大或受采掘工程影響后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r位移不斷增大，巷道底板向上隆起，這種現(xiàn)象稱之為底鼓［1］。底鼓是煤礦常見的礦壓現(xiàn)象，對動壓影響回采巷道而言尤為普遍和嚴重，尤其是隨著煤礦采深的不斷增加，巷道底鼓問題更為突出，底鼓量已成為巷道變形的主要組成部分［2-4］?，F(xiàn)有研究多僅僅圍繞底板巖層的性質(zhì)和受力狀態(tài)等因素，對底鼓的發(fā)生機理及其控制技術(shù)進行研究，忽略了巷道圍巖其他部位對底板巖層變形的影響作用。而研究表明［5-7］，巷道是由頂板、兩幫和底板共同構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，各部位的巖體強度、應(yīng)力狀態(tài)及變形破壞等特性方面的差異顯著，尤其受巷道開挖和工作面回采等影響后，其所處的應(yīng)力狀態(tài)及變形破壞規(guī)律也不盡相同，往往表現(xiàn)為巷道各部位不均勻變形程度顯著，巷道圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。大量工程實踐表明［8］，巷道底鼓往往與頂板下沉及兩幫內(nèi)移同時發(fā)生。從提高巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度出發(fā)，著重考慮頂板及兩幫與底板相互作用關(guān)系，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方法，研究提高頂板和兩幫支護強度對控制底板巖層變形的影響，并提出了加固頂板和兩幫控制巷道底鼓的技術(shù)。現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果表明，加固頂板和兩幫能較好的控制巷道底鼓。

1 頂板和兩幫變形對底臌的影響分析

回采巷道一般沿煤層掘進，兩幫為煤體，頂板和底板多為巖體，各部位巖層的物理力學(xué)性質(zhì)和受力狀態(tài)有較大差異。巷道頂板強度是圍巖應(yīng)力分布和塑性區(qū)范圍等的重要影響因素之一，通過改變圍巖的應(yīng)力分布進而影響巷道的底臌［9］。巷道兩幫多為強度較低的煤體，在高應(yīng)力作用下易發(fā)生剪脹破壞，產(chǎn)生垂直方向壓縮和向巷道中心的位移，同時形成的二次水平應(yīng)力作用在底板巖層上，使其產(chǎn)生撓曲位移，進而影響巷道底板巖層的穩(wěn)定性［10-13］。因而，針對回采巷道的結(jié)構(gòu)特點，研究頂板和兩幫分別采取不同支護對底臌的影響，并進行理論分析和數(shù)值計算。

1.1 頂板變形對底臌的影響

當加固頂板后，其承載能力進一步提高，圍巖應(yīng)力進一步向頂板集中，同時促使巷道幫部的垂直應(yīng)力峰值遠離兩幫，進而降低了底板的應(yīng)力集中程度，降低了底板塑性區(qū)范圍，有利于減小了底板位移量。在U 型鋼棚和錨網(wǎng)支護的巷道中，通過預(yù)應(yīng)力錨索對頂板進行加固，一方面可以調(diào)動頂板深部穩(wěn)定巖層強度，增加支護體系的承載性能，同時對淺部松散圍巖體的擠壓作用，增加了淺部圍巖的殘余強度。另一方面，錨索的懸吊效應(yīng)減小了頂板松散圍巖體通過兩幫傳遞至底板的應(yīng)力，同時又在巷道頂板形成支撐點，減小了頂板梁結(jié)構(gòu)的跨度，降低了頂板的撓曲位移量。

1.2 兩幫變形對底臌的影響

兩幫強度和變形影響巷道底臌。由于兩幫往往為煤體，較頂板和底板強度低，容易產(chǎn)生破壞，是整個巷道圍巖體的結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。通過在幫部進行加固，一是有利于保證圍巖-支護體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止圍巖-支護體發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞，提高其整體承載能力;二是提高兩幫煤體的強度，減小圍巖松動圈范圍，有利于減小底板層狀結(jié)構(gòu)的跨度，即實際發(fā)生底臌的底板巖層寬度。研究結(jié)果表明［14］，底板巖層的撓曲位移△h1與實際發(fā)生撓曲的底板巖層寬度l 呈△h1∝(l4)關(guān)系;三是減小兩幫移近量，巷道開挖后，底板淺部巖層由三向受力變?yōu)槎蚴芰?，承載性能大大降低，當撓曲量較大時，底板淺部巖層多已彎曲斷裂，失去了承受垂直方向載荷的能力，當巷道兩幫相對移近時，產(chǎn)生的二次水平應(yīng)力作用于底板淺部巖層上，使底板產(chǎn)生壓曲位移，壓曲位移△h2與兩幫移近量△x 呈△h2∝(△x2)關(guān)系。四是加固兩幫可以促使應(yīng)力向幫部轉(zhuǎn)移，相應(yīng)地減小了底板淺部圍巖的應(yīng)力集中，有利于控制巷道底臌。通過預(yù)應(yīng)力錨索在兩幫進行加固可以充分發(fā)揮兩幫深部穩(wěn)定圍巖的承載性能，提高兩幫煤體的強度，保證了圍巖體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時促使應(yīng)力集中向兩幫轉(zhuǎn)移，減小了兩幫移近量和底板巖層發(fā)生底臌的寬度，從而減小了撓曲效應(yīng)引起的底臌量。

圖1 模型示意圖Fig.1 Sketch of model

2 頂板、兩幫變形與底臌關(guān)系的數(shù)值模擬

數(shù)值模擬分析采用FLAC2D軟件，主要分析回采巷道分別在頂板、兩幫進行加固時，底板的塑性區(qū)、應(yīng)力分布和位移變化等，研究頂板、兩幫變形對底臌的影響規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型及參數(shù)確定

研究以某礦井12305 工作面回風巷地質(zhì)條件為例。該回采巷道平均埋深為668 m，巷道為直墻半圓拱形巷道，設(shè)計斷面為4 m×3 m(寬×高)，沿煤層頂板掘進。主采煤層為下石盒子組2#煤，煤層平均厚度4.0 m，呈近水平賦存，煤體原生裂隙發(fā)育，極為破碎;直接頂為砂質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育;直接底為碳質(zhì)泥巖。

計算模型大小為45 m ×45 m，上邊界加載18 MPa 的應(yīng)力模擬上覆巖層的重量，左右邊界為支承邊界，下邊界為固定邊界。采用Mohr-Coulomb強度準則，側(cè)壓系數(shù)取1，采用大應(yīng)變計算模式，工作面回采引起的超前支承壓力按2 倍原巖應(yīng)力考慮。數(shù)值計算模型如圖1 所示，各巖層的力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 各巖層的力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical property of rock

2.2 模擬方案

以該礦12305 工作面回風巷為模型，研究頂板和兩幫采取不同支護方式時對底板圍巖應(yīng)力狀態(tài)和位移造成的影響。具體模擬方案

1)模擬頂板在無支護、錨網(wǎng)支護和錨網(wǎng)索耦合支護時，底板圍巖的應(yīng)力變化和底臌量;

2)模擬兩幫在無支護、U 型鋼棚支護、棚—索協(xié)同支護、錨網(wǎng)支護和錨網(wǎng)索耦合支護時，底板的變形特征。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 頂板變形對底臌的影響

1)垂直應(yīng)力分布。圖2 為垂直應(yīng)力分布圖，圖中坐標與圖1 對應(yīng)。從圖可知，用全錨索對頂板進行加固后，頂板應(yīng)力集中程度增高，兩幫的垂直應(yīng)力峰值較無支護時向兩幫深部圍巖轉(zhuǎn)移，底板應(yīng)力降低，說明通過加固頂板可以使應(yīng)力向頂板集中，從而減小底板巖層的應(yīng)力集中程度。

圖2 圍巖垂直應(yīng)力等值線圖(MPa)Fig.2 Vertical stress contours of surrounding rock

2)底板位移。頂板加固對底板位移影響如圖3 所示，當頂板采用錨索支護時，頂板強度較高，底鼓量最小，錨索可以充分發(fā)揮頂板深部穩(wěn)定巖層的承載性能，促使應(yīng)力向頂板深部集中，對減小底臌效果較為明顯。

圖3 加固頂板對底臌影響Fig.3 Effect of reinforcing roof on floor heave

2.3.2 兩幫變形對底臌的影響

1)塑性區(qū)分布。從圖4 可以得知，無論是錨網(wǎng)支護還是U 型鋼棚支護，通過錨索加固兩幫后，頂板的拉破壞單元減少，幫部的拉破壞單元減少，剪切破壞區(qū)范圍縮小，縮小量在2.5 m 左右，底板的拉破壞單元有所減少，塑性區(qū)范圍減小，底角處的剪切破壞范圍減小，彈性恢復(fù)單元數(shù)目增多，有利于減小發(fā)生底臌的底板巖層寬度。

圖4 加固兩幫前后圍巖塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of plastic yielding area of surrounding rock before and after reinforcing sides

2)底板垂直位移。圖5 為采用不同支護方式時兩幫煤體下底板垂直位移曲線。由圖可知，當無支護時一側(cè)煤體2.3 m 范圍內(nèi)底板巖層均產(chǎn)生了垂直位移，采用錨索分別在錨網(wǎng)和U 型鋼棚支護加強后，縮小至1.5 m 左右，大大減小了產(chǎn)生垂直位移的底板巖層寬度，有利于控制底臌量。這說明加固兩幫可以提高幫部煤體的強度，減少兩幫塑性區(qū)范圍，抑制發(fā)生垂直位移的底板寬度，從而減小了底板撓曲效應(yīng)，減小了巷道底臌量。

圖5 兩幫煤體下底板垂直位移Fig.5 Vertical displacement of floor strata under sides mass

3)水平位移。巖層水平移動是影響底鼓量重要因素之一。圖6 為距巷道幫部表面0.5 m 深處垂直截面上圍巖體的水平位移分布圖，其中-7 ～0 m 為底板，0 ～3 m 為幫部。用預(yù)應(yīng)力錨索對兩幫進行加固后，兩幫和底板巖層水平移近量明顯減小，有利于減小底板巖層的撓曲位移量。

圖6 幫部水平位移Fig.6 Horizontal displacement of side

4)底板位移。巷道兩幫的強度越大，則底臌量越小。如圖7 所示，當采用錨索分別在錨網(wǎng)支護和U 型棚支護的幫部加強后，底臌量明顯減小。說明兩幫變形越大，底臌量也越大。與圖3 比較可知，在巷道頂板和幫部分別采取加強支護后，加強兩幫對于減小底鼓量的效果更為明顯。這說明在同等條件下加固兩幫對底板的控制作用要大于加固頂板。

圖7 加固兩幫后底臌位移量Fig.7 Vertical displacement of floor strata after reinforcing sides

從上述數(shù)值分析可知，針對回采巷道頂板和兩幫進行加強支護，可提高頂板巖層和兩幫煤體強度，改善底板的受力狀態(tài)，從而有效控制巷道底臌。由此可見，控制底臌應(yīng)當從巷道的整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究各部位的相互作用，從而有效地控制底臌。

3 工程應(yīng)用

3.1 試驗巷道概況

韓城礦業(yè)公司下峪口煤礦1110 工作面回風巷為直墻半圓拱巷道，頂板為堅硬的砂巖，底板為粘土泥巖，兩幫煤體極為破碎。巷道原采用U 型鋼棚支護，排距為600 mm.受工作面回采引起的超前支承壓力影響，該回采巷道破壞嚴重，兩幫內(nèi)移500 mm，兩幫最大移近量達800 mm，致使U 型棚搭接處卡纜螺桿多斷裂失效;頂板下沉量200 mm以上，由于大量卡纜螺桿斷裂失效，破壞了U 型棚的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了拱形巷道承受垂直載荷的能力，變形嚴重段頂板下沉達600 mm;巷道開挖后，巷道底臌較小，但受工作面超前支承壓力影響后，巷道底臌強烈，工作面端頭處最大底鼓量可達1.0 m 左右，嚴重影響工作面的回采。在底臌嚴重段進行臥底，仍無法控制巷道底臌。

3.2 試驗方案確定

為有效控制巷道底臌，決定在巷道頂板和兩幫進行加強支護。同時為進一步研究加固頂板和兩幫對控制底板變形的效果，采用兩種不同的支護方案對未受支承壓力影響的巷道進行加固。方案一:在試驗段一頂板采用三根預(yù)應(yīng)力錨索進行加固，兩幫分別在幫中和幫腳處用預(yù)應(yīng)力錨索加固;方案二:在試驗段二頂板中間用一根預(yù)應(yīng)力錨索進行加固，兩幫分別在幫腳、幫中和肩窩處用錨索進行加固。錨索選用φ17.8 mm × 6 000 mm 1860 鋼絞線，并用錨索托梁壓住兩棚，錨索布置于U 型棚中間，排距為1 200 mm，錨索預(yù)緊力不小于100 kN，錨索托梁由廢棄的U25 型鋼制成，長度為850 mm，在用錨索加固前，再次預(yù)緊U 型鋼棚卡纜螺母，預(yù)緊力矩不小于250 N·m.

3.3 礦壓觀測與分析

3.3.1 圍巖位移分析

施工完成后，在不同方案支護段分別布置1#和2#測站，連續(xù)監(jiān)測了試驗段巷道受工作面采動影響期間圍巖變形和支護承載結(jié)構(gòu)的承載力。兩試驗段在工作面回采過程中圍巖位移量見表2 所示。從表2 可知，在巷道頂板和兩幫加固后，有效地控制了巷道圍巖變形，底臌量大大減小;兩幫移近量在幫腳處最大，向上逐漸減小，即在垂直截面上兩幫移近量呈不均勻分布。實測結(jié)果表明，為保證幫部圍巖穩(wěn)定，減小兩幫移近造成的底板壓曲效應(yīng)，應(yīng)加強幫腳處的支護。

表2 巷道圍巖變形觀測數(shù)據(jù)Tab.2 Measured data of surrounding rock deformation

3.3.2 支護體承載分析

以試驗段二為例分析支護體的實際承載狀態(tài)。圖8 測站監(jiān)測點布置，其中1#～3#錨索分別位于巷道采空區(qū)側(cè)幫腳、幫中和肩窩處，4#錨索位于頂中;1#～7#支架液壓枕用于監(jiān)測支架采空區(qū)側(cè)各部位的載荷。圖9 為采空區(qū)側(cè)半個巷道斷面支護體承載曲線，隨著工作面推進，一是幫部預(yù)應(yīng)力錨索先于被動支護的U 型棚受載，且所受的載荷及其增量明顯大于U 型棚各部位載荷。其中幫腳1#錨索所受載荷最大、增速最快，頂中4#錨索受載較幫部較小且穩(wěn)定增加，這主要是因為兩幫內(nèi)移致使U 型鋼支架頂部拱起，支架頂部及時承載，降低了錨索所受載荷;二是支架各部位荷載較均勻，發(fā)揮支架的整體承載能力，保證了支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖8 測站監(jiān)測點布置Fig.8 Station monitoring arrangement

圖9 U 型鋼棚-錨索承載曲線Fig.9 Load curve of U-shaped shed and cable

4 結(jié) 論

1)巷道圍巖是由頂板、兩幫和底板共同組成的復(fù)合體。底板巖層的穩(wěn)定不僅與自身的受力狀態(tài)和巖性有關(guān)，而且還受頂板和兩幫強度的影響。加固頂板可以促使應(yīng)力向頂板轉(zhuǎn)移，改善底板的受力狀態(tài);加固兩幫可以減小底臌寬度和兩幫移近量，減小底板的撓曲和壓曲效應(yīng)。

2)數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗均表明，在一定條件下控制巷道兩幫圍巖變形對減小巷道底臌量的作用要大于控制頂板圍巖變形的作用。

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