大斷面巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)態(tài)支護(hù)控制研究

史春生

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西省臨汾市，041000)

在煤炭地下開采中，由于煤層賦存條件的復(fù)雜多變，巷道掘進(jìn)的工程量極大，而且巷道穩(wěn)定性受采場采動作用的影響較大，如果巷道圍巖強(qiáng)度較小，則巷道穩(wěn)定性支護(hù)更加困難。大斷面巷道在掘進(jìn)過程中破壞了巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)，引起應(yīng)力的重新分布，在此過程中，巷道圍巖發(fā)生變形運(yùn)移、塑性屈服甚至失穩(wěn)破壞，而巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)所受載荷的大小和方向也一直在發(fā)生變化。在礦壓顯現(xiàn)作用下，巷道穩(wěn)定性破壞表現(xiàn)為底板底鼓、斷面尺寸收縮、覆巖垮落等。本文以李雅莊煤礦大斷面回采巷道為工程背景，對巷道所處地層的覆巖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行測試，對巷道圍巖失穩(wěn)的機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)而提出合理的巷道支護(hù)方案，同時通過現(xiàn)場實測驗證支護(hù)方案的合理性，本文研究方法可為其他礦井大斷面回采巷道支護(hù)技術(shù)的研究提供借鑒意義。

1 巷道覆巖結(jié)構(gòu)特征

工作面覆巖結(jié)構(gòu)受巖體巖性以及所受構(gòu)造應(yīng)力的影響較大，在長期地質(zhì)作用下，巖層表現(xiàn)為顯著的非連續(xù)性，各個方向上的結(jié)構(gòu)差異明顯，內(nèi)部發(fā)育規(guī)模不等、方向各異的裂隙。為了研究工作面上部不同層位巖層的賦存情況，采用鉆孔窺視法得到覆巖的結(jié)構(gòu)特征，如圖1所示。

圖1 鉆孔巖體結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可以看出，距孔口0.9 m和2.9 m位置的巖體較為破碎，完整性極低，明顯受到巷道開掘的影響；距孔口3.4 m和3.9 m位置的巖體發(fā)育較多裂隙；距孔口4.3 m處巖體破碎程度較高，而距孔口5.8 m處巖體完整程度較高，只發(fā)育一些小型裂隙，受巷道開掘的影響較小。總體上看，在鉆孔范圍內(nèi)部分巖層破碎度較高，部分巖層發(fā)生離層現(xiàn)象，大部分的巖層內(nèi)部均發(fā)育裂隙，故大范圍的巖層完整性較低，需要對該范圍內(nèi)的巖層進(jìn)行加固。

2 巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理分析

2.1 巷道覆巖失穩(wěn)機(jī)理

對于大斷面巷道頂板，各分層間的離層是造成其失穩(wěn)的主因。為了簡化研究問題，認(rèn)為巷道頂板所受的載荷為均布載荷，巷道頂板兩端受到固定約束。由于巷道埋深較大，故巷道頂板所受的應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，巖梁兩端截面所受的應(yīng)力(正應(yīng)力和剪應(yīng)力)較大，則頂板發(fā)生拉伸破壞或者剪切破壞的概率較高，由此將大斷面巷道頂板簡化為縱橫彎曲梁模型，如圖2所示。

由縱橫彎曲梁理論可知，頂板中部的變形最大，且其最大變形為：

(1)

式中：P——巖梁兩端所受的水平應(yīng)力；

E——巖梁的彈性模量；

I——巖梁的慣性矩；

b——巖梁寬度；

c1、c2、k、A、B——常量系數(shù)。

圖2 深部巷道頂板簡化模型示意圖

2.2 巷道兩幫失穩(wěn)機(jī)理

大斷面巷道開掘的空間較大，將巷道兩幫視為厚度較小的地基體，則巖梁所受的地基支撐反力q′與巖梁的變形量w成正比：

q′=kbdw

(2)

式中：kb——地基系數(shù)；

d——巖梁寬度；

w——巖梁變形量。

巷道兩幫的失穩(wěn)形式主要表現(xiàn)為片幫，同時巷道兩幫變形具有對稱性，認(rèn)為煤壁片幫區(qū)外的煤體變形較小，故建立巷道一幫的彈性地基梁模型時認(rèn)為片幫區(qū)與非片幫區(qū)的接觸點為固定約束，靠近采空區(qū)一側(cè)的煤體不受約束，為自由變形端，則巷道兩幫的模型如圖3所示。

圖3 深部兩幫的彈性地基梁模型示意圖

基于彈性地基梁均布荷載短梁模型理論，地基梁所受的壓力為：

(3)

式中：H——巷道高度。

(4)

由此可得巷幫所受的側(cè)壓力為：

(5)

式中：ka——主動土壓力系數(shù)；

φ——煤體的內(nèi)摩擦角；

cb——煤體的黏聚力；

γ——煤體的容重；

h——巷幫某一點距覆巖的距離。

3 支護(hù)方案

礦井目前開采煤層厚度最大為4.9 m，平均為3.08 m，賦存穩(wěn)定，煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育較多，完整性和強(qiáng)度相對較低，含有極薄的夾矸層。巷道直接頂巖層為泥巖，強(qiáng)度較低，在采掘作用下容易發(fā)生破碎失穩(wěn)。工作面回采巷道為矩形巷道，巷道寬度和高度分別為5.2 m和3.2 m。因此提出巷道的支護(hù)方案為：高預(yù)緊力錨桿+樹脂+錨索共同支護(hù)，巷道支護(hù)設(shè)計如圖4所示。

圖4 大斷面巷道支護(hù)設(shè)計示意圖

對該方案下的支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬驗證，得到應(yīng)力分布特征如圖5所示，由圖5可以看出，各個錨桿的應(yīng)力場相互作用形成了多根錨桿錨固的應(yīng)力場，在錨桿尖端形成了一定范圍的拉應(yīng)力場，在托板位置形成了一定范圍的壓應(yīng)力場；在整個錨桿支護(hù)巖體的應(yīng)力場中，尖端處所受拉應(yīng)力最大，托盤位置壓應(yīng)力最大，中間位置巖體壓應(yīng)力最小。各個錨桿支護(hù)形成的應(yīng)力場會相互重合，成為一個整體，整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為“鼓狀”在重合帶應(yīng)力場相互疊加，形成了較大的錨固范圍。

圖5 巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

4 支護(hù)效果的現(xiàn)場評價

通過離層測試儀對巷道上部不同層位巖層的變形量進(jìn)行現(xiàn)場實測，從而對支護(hù)方案的合理性和有效性進(jìn)行效果評價。共布置2個測站，分別布置在巷道支護(hù)后300 m和800 m處。每個測站均布置A、B、C共3個測點，其中，A測點在巷道斷面中部上方1.5 m處，B測點布置在巷道斷面中部上方3.5 m處，C測點布置在巷道斷面中部上方5.5 m處。

圖6 1號測站巷道覆巖離層變形量變化曲線

1號測站巷道覆巖離層變形量變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，在巷道支護(hù)后300 m處，當(dāng)距工作面距離較遠(yuǎn)時，巷道覆巖較深處離層量為零，穩(wěn)定性極高，而在巷道上部1.5 m的位置離層量不足0.5 mm，說明錨固范圍內(nèi)巖層保持較高的完整性。在工作面推進(jìn)過程中，隨著測站距工作面距離縮短，巷道圍巖開始受到采場采動的影響，故覆巖離層量增大；另一方面，由于采場采動作用下巷道覆巖重分布的應(yīng)力場達(dá)到平衡狀態(tài)需要一段時間，故覆巖離層量的增大速率隨著距工作面距離的減小而增大。當(dāng)距工作面距離為0 m時，巷道上部1.5 m、3.5 m和5.5 m處的離層量達(dá)到最大，分別為8.8 mm、4.4 mm和0.75 mm，總體上離層量不大，錨固效果較好。

圖7 2號測站巷道覆巖離層變形量變化曲線

2號測站巷道覆巖離層變形量變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，在巷道支護(hù)后800 m處，當(dāng)距工作面20～50 m范圍內(nèi)時，錨固巖層幾乎不受采場采動的影響，離層量僅從0 mm增大到0.5 mm，覆巖離層量增大速率較為緩慢；當(dāng)距工作面20 m以內(nèi)時，覆巖最大離層量僅從0.5 mm增大到4.47 mm，離層量極小。

綜上分析，在不受采場采動作用下，巷道施加支護(hù)后深部巖層不會發(fā)生離層，而淺處巖層的離層量也未超過0.5 mm，這是由于聯(lián)合支護(hù)與巷道圍巖的相互作用達(dá)到平衡，錨固范圍內(nèi)巖層保持較高的完整性。當(dāng)距工作面距離為0 m時，覆巖最大離層量為8.8 mm，說明所選支護(hù)方案有效控制了巷道覆巖離層現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文對大斷面回采巷道所處地層的覆巖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了測試，對巷道圍巖失穩(wěn)的機(jī)理進(jìn)行了研究，通過現(xiàn)場實測驗證了支護(hù)方案的合理性，得到以下結(jié)論：

(1)在鉆孔范圍內(nèi)部分巖層破碎度較高，部分巖層發(fā)生離層現(xiàn)象，大部分的巖層內(nèi)部均發(fā)育裂隙，故大范圍的巖層完整性較低，需要對該范圍內(nèi)的巖層進(jìn)行加固。

(2)將大斷面巷道頂板簡化為縱橫彎曲梁模型，得到了頂板最大變形的計算方法；基于彈性地基梁對巷道兩幫失穩(wěn)的機(jī)理進(jìn)行了研究，得到了兩幫受載的計算方法。

(3)提出了“高預(yù)緊力錨桿+樹脂+錨索共同支護(hù)”的支護(hù)方案，并且對巷道覆巖離層情況進(jìn)行了現(xiàn)場實測，得出覆巖最大離層量為8.8 mm，說明所選支護(hù)方案有效控制了巷道覆巖離層現(xiàn)象。