巷道挖底對其幫頂穩(wěn)定性影響研究

陳 盼

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學，陜西 西安 710054)

巷道作為煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)的最基本單元，其安全可靠的支護是確保礦井正常生產(chǎn)的基礎。近年來，隨著煤礦開采強度和深度的增加，巷道支護問題與日俱增[1-4]。尤其對于在軟巖、斷層、高地應力等復雜地質(zhì)條件下開掘的巷道，變形破壞嚴重，很難一次支護穩(wěn)定，多數(shù)需要頻繁返修[5-10]。底鼓是此類復雜地質(zhì)條件下巷道的通病，大量實測資料表明，巷道底鼓量可占到巷道頂?shù)装逡平康?/3～3/4[11，12]，巷道返修與維護的首要任務往往是挖底。不同于新掘進的巷道，返修巷道圍巖經(jīng)歷過大變形，處于破碎不穩(wěn)定狀態(tài)，在此基礎上進行挖底作業(yè)，勢必對巷道頂板和兩幫產(chǎn)生一定的影響。

關(guān)于巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷姆€(wěn)定性關(guān)系，近年來已有許多專家學者對此進行了相關(guān)探討和研究。侯朝炯等[11]通過研究控制巷道底鼓的基本原理，提出了加固巷道軟弱圍巖幫、角控制底鼓的方法?？导t普[12]在分析巷道圍巖應力分布特征的基礎上，提出關(guān)鍵承載圈概念，探討了圓形巷道在彈性和彈塑性應力狀態(tài)下關(guān)鍵承載圈的分布及其影響因素，闡述了關(guān)鍵承載圈的特征和變化規(guī)律。李學華[13]利用數(shù)值計算方法，研究了頂板強度對回采巷道圍巖應力分布、塑性區(qū)范圍及底鼓的影響，表明巷道頂板強度提高后，巷道底鼓量也將減小，提出了加固巷道頂板控制底鼓的觀點。王衛(wèi)軍[14]通過數(shù)值計算，模擬了兩幫煤體強度對底鼓的影響，提出了加固兩幫控制深井巷道底鼓的構(gòu)想。李樹清[15]通過數(shù)值計算，研究了底板支護和注漿加固底板后深部軟巖巷道兩幫圍巖的穩(wěn)定性，表明加固軟弱底板有利于提高深部軟巖巷道兩幫圍巖穩(wěn)定性。單仁亮[16]在分析煤巷幫部破壞機制和加固機制的基礎上，提出強幫護頂概念設計，并從理論方面對煤巷強幫支護理論進行了論證。上述研究表明，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷姆€(wěn)定性是相互關(guān)聯(lián)的。筆者在前人研究的基礎上，分析認為巷道頂?shù)装搴蛢蓭褪且粋€相互作用的整體，對于已經(jīng)發(fā)生底鼓的巷道，挖底作業(yè)打破了巷道底板的受力平衡，從而改變巷道兩幫和頂板的受力狀態(tài)，對巷道兩幫和頂板穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

1 巷道挖底對幫頂穩(wěn)定性影響分析

巷道開挖以后，圍巖應力重新分布，出現(xiàn)較大的應力集中現(xiàn)象。巷道周邊的切向應力最大，遠離巷道處應力迅速降低，在二向等壓條件下，圓形巷道的應力升高區(qū)主要集中在R0～5R0(R0為圓形巷道半徑)的承載圈內(nèi)，其中R0～2R0主要承載圈內(nèi)應力升高幅度最大[12]。

從圍巖穩(wěn)定性角度看，巷道圍巖中的承載圈是外部荷載的主要承載結(jié)構(gòu)，當承載圈某一部分巖體遭到破壞時，承載圈會向外部移動，形成新的承載結(jié)構(gòu)。承載圈內(nèi)部巖體是巷道圍巖的主要支護對象，承載圈越大，需要支護的巖體就越多，巷道維護就越困難，要保證巷道的長期穩(wěn)定，就要盡量防止承載圈外移。

承載圈作為自然形成的一個承載結(jié)構(gòu)，主要受巷道所處應力環(huán)境、圍巖巖性、巷道斷面形狀等因素影響。挖底過程相當于給巷道底板卸載，會引起巷道底板應力重分布，當挖底深度較大時，甚至可能直接破壞巷道承載圈底板巖層，引起承載結(jié)構(gòu)外移，導致巷道頂板和兩幫處的承載圈也向外部移動，從而影響巷道幫部和頂部的穩(wěn)定性。故巷道挖底作業(yè)時應遵循以下一般原則：

1)為保證巷道的整體穩(wěn)定性，對于頂板和兩幫破壞較嚴重的巷道，在挖底作業(yè)以前，應首先加固其頂板和兩幫，防止挖底過程中出現(xiàn)頂板事故。

2)對于斷面尺寸不能滿足使用要求的巷道，巷道修復作業(yè)時，應以清理承載圈內(nèi)部巖層為主，挖底深度不宜觸及底板承載圈，挖底后如果尺寸仍然不滿足要求的，可結(jié)合挑頂、刷幫等措施來增加斷面尺寸。

3)在巷道兩幫下方留設一定寬度的底板可抑制巷道兩幫的變形，利于巷道的整體穩(wěn)定。故對于寬度較大巷道，挖底時可在巷道幫角處留設一定寬度的巖體，如巷道寬度較小，挖底時可在巷道幫角處做圓弧過渡，如圖1所示。

圖1 巷道挖底幫角處理方式

2 相似材料模擬研究

以陜西彬長礦區(qū)蔣家河煤礦回風大巷為原型，采用相似材料模擬試驗，研究挖底前后巷道幫頂?shù)姆€(wěn)定性變化情況。

2.1 相似模型的建立

根據(jù)該巷道地質(zhì)賦存條件，制作相似材料模型，簡化為平面應變模型，模型長160cm，高150cm，厚20cm，如圖2所示。模型的幾何相似比為1∶25，應力相似比為1∶42.5，密度相似比為1∶1.7。模型采用氣囊施加水平荷載和豎向荷載，側(cè)壓力系數(shù)取1。模型制作過程中，在巷道底板正下方埋設有4個應力傳感器(1—4號傳感器)，監(jiān)測其水平應力的變化情況；在巷道腰線外側(cè)埋設4個應力傳感器(5—8號傳感器)，監(jiān)測垂直應力變化情況。

圖2 相似材料模擬試驗模型

2.2 相似模型的開挖支護過程及圍巖破壞分析

模型制作完成后，脫模風干，之后在模型前后安裝玻璃板，僅在模型后方留出巷道開挖口。該巷道原型埋深約400m，換算為模型上覆巖層產(chǎn)生的垂直應力為0.23MPa。在模型加載之前，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，記錄各應力傳感器初值，即可開始加載。采用分級加載方式給模型施加荷載，每級加載0.02MPa，水平荷載和垂直荷載同步施加。每級荷載施加完后，保持30min，再施加下一級荷載，直到施加至0.23MPa。

荷載施加完畢后，在模型后方留出的開挖口按實際巷道縮放后的尺寸進行巷道開挖，并采用細鐵絲和塑料網(wǎng)分別模擬錨桿和鋼筋網(wǎng)，進行錨網(wǎng)支護，支護效果如圖3所示。

圖3 巷道支護完成后效果

巷道開挖支護期間，保持壓力不變，支護完成后一段時間，巷道右底角出現(xiàn)裂縫，之后底板中部出現(xiàn)縱向裂縫，并有向上隆起的趨勢，兩幫出現(xiàn)微小裂縫，隨著底板破碎加劇，裂隙貫通，出現(xiàn)比較明顯底鼓現(xiàn)象，頂板也出現(xiàn)“網(wǎng)兜”，一段時間之后，巷道圍巖基本穩(wěn)定，巷道底板破壞效果如圖4所示。

圖4 巷道底板破壞效果

在此基礎上，保持模型荷載不變，對巷道進行挖底作業(yè)。挖底后，用馬克筆在前玻璃板上標出巷道斷面形狀，觀察巷道圍巖變化情況。一段時間后，頂板發(fā)生離層，并伴有巖體垮落，兩幫明顯向內(nèi)收斂，挖底后的巷道底板又出現(xiàn)隆起的趨勢。隨著圍巖變形加劇，最終巷道圍巖整體失穩(wěn)，巷道基本喪失使用功能。挖底后巷道圍巖變形破壞過程如圖5所示。

圖5 挖底后巷道圍巖變形情況

由此可見，挖底對巷道兩幫和頂板的穩(wěn)定性有顯著影響。此外，通過對此次試驗過程中傳感器數(shù)據(jù)的分析，也可以證明這一結(jié)論。

2.3 試驗過程中傳感器數(shù)據(jù)分析

1號監(jiān)測點的應力變化曲線如圖6所示，該傳感器是埋設于巷道底板正下方的第一個傳感器，監(jiān)測所處巖層的水平應力。巷道底板開始破壞和挖底所對應的特征點如圖6所示。由圖6可以看出，在模型加載階段該監(jiān)測點所處巖層的水平應力隨著荷載的增加逐漸增大，直到到達某一峰值開始下降，說明底板巖層已經(jīng)破壞。挖底之后，1號監(jiān)測點裸露，應力變成零。

圖6 1號監(jiān)測點的應力變化曲線

2號監(jiān)測點的應力變化如圖7所示，該傳感器位于1號監(jiān)測點的正下方，監(jiān)測所處巖層的水平應力，特征點標記如圖7所示。由圖7可以看出，在巷道底板上部巖層開始破壞之后，處于下部的2號監(jiān)測點所處巖層水平應力有了明顯的增加，表明此時底板應力已經(jīng)開始向深部轉(zhuǎn)移，巷道挖底之后，應力繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移，該測點應力繼續(xù)增大，很快到達應力峰值，之后應力慢慢減小，表明此時2號監(jiān)測點所處巖層開始破壞，應力向更深部轉(zhuǎn)移。

圖7 2號測點應力變化曲線

5號監(jiān)測點的應力變化曲線如圖8所示，該傳感器是埋設于巷道腰線內(nèi)側(cè)的第一個傳感器，測試所處巖層的垂直應力，特征點標記如圖8所示。由圖8可以看出，在巷道底板開始破壞后，該傳感器所處巖層應力有了小幅度的減小，表明底板破壞會影響到巷道幫部的受力狀態(tài)。巷道挖底之后，該傳感器所處巖層有了大幅度的減小，結(jié)合圖6、7分析可知，底板應力向深部會導致幫部應力也向深部轉(zhuǎn)移，挖底對巷道幫部受力狀態(tài)有明顯影響。

圖8 5號測點應力變化曲線

6號監(jiān)測點的應力變化曲線如圖9所示，該傳感器是埋設于巷道腰線內(nèi)側(cè)的第二個傳感器，測試所處巖層的垂直應力，特征點標記如圖9所示。由圖9可以看出，巷道挖底之后傳感器所處巖層應力有明顯的增大，分析其原因為：巷道挖底致使承載圈向深部轉(zhuǎn)移，導致幫部應力也向深部移動。在巷道幫部表面巖體破壞之后，深部巖體應力有了較大幅度的增高。

圖9 6號測點應力變化曲線

通過對以上分析可知，巷道圍巖荷載優(yōu)先由淺部巖體承擔，當淺部巖體發(fā)生破壞之后，應力就會向深部轉(zhuǎn)移。由于巷道承載圈各部分巖體是一個相互作用的整體，巷道挖底改變了底板應力分布，甚至破壞了底板承載圈，引起承載圈整體向深部移動，導致巷道頂板和兩幫破壞深度加大，變形嚴重。

3 工程實例

3.1 工程概況

禾草溝煤礦是延安市市屬的大型煤礦，設計年產(chǎn)300萬t(商品煤)。該煤礦現(xiàn)開采5號煤層，煤層平均厚度2.19m，煤層頂板巖性大多為灰黑色薄-中厚層狀的油頁巖，局部為灰色厚層狀的粉砂巖；底板多為灰黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖。

該礦區(qū)50107工作面回風巷底板巖石強度較低，且部分區(qū)域節(jié)理發(fā)育，在工作面回采以前，巷道即發(fā)生嚴重底鼓現(xiàn)象，兩幫和頂板也存在不同程度的破壞，底鼓后巷道高度1.5～2.4m不等。劇烈的底鼓現(xiàn)象制約著巷道的運輸通行能力，且底鼓引起的巷道斷面減小也會導致采面通風效果不佳，影響礦區(qū)的安全高效生產(chǎn)。

3.2 巷道挖底前后頂板和兩幫的變形情況

為了50107工作面的順利回采，礦方?jīng)Q定在工作面回采前對巷道進行挖底作業(yè)。根據(jù)礦方要求，挖底至巷道高度滿足2.8±0.2m，巷道實際挖底厚度達0.4～1.5m，由于巷道頂幫也有較大變形，挖底作業(yè)前，在巷道頂板和兩幫分別安裝監(jiān)測點，以監(jiān)測巷道挖底前后頂板和兩幫的變形情況，監(jiān)測點布置方式如圖10所示，監(jiān)測斷面處挖底厚度為0.7m。

圖10 巷道圍巖監(jiān)測點布置示意圖

此外，為盡可能減少巷道挖底對幫頂穩(wěn)定性的影響，挖底時，在巷道靠近采空區(qū)側(cè)留約1m寬底板不挖底，該段留設底角在工作面回采時可由端頭支架和巷幫空隙讓至采空區(qū)。

在巷道挖底過程中，兩幫收斂量和頂板下沉量的變化曲線如11、圖12所示。由圖可以看出，在巷道挖底之前，監(jiān)測期圍巖變形很小，巷道挖底至監(jiān)測斷面時，兩幫和頂板都有較大的變形，甚至在挖底過程中有片幫現(xiàn)象發(fā)生。

圖11 巷道兩幫收斂量曲線

圖12 巷道頂板下沉量曲線

由以上分析結(jié)合現(xiàn)場情況可知，巷道挖底后18d內(nèi)，兩幫相對收斂量達52mm，收斂主要集中在挖底后2d內(nèi)發(fā)生，部分區(qū)段在挖底過程中就有較為明顯的片幫現(xiàn)象；頂板也會受到挖底的影響，18d內(nèi)巷道頂板下沉量為23mm，部分區(qū)段頂板出現(xiàn)裂縫。對比頂板和兩幫變形可知，幫部對挖底作業(yè)更為敏感。由此可見，此次巷道挖底作業(yè)，已經(jīng)明顯的影響到了巷道兩幫和頂板的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1)分析認為巷道頂?shù)装搴蛢蓭褪且粋€相互作用的整體，挖底改變了巷道底板應力狀態(tài)，可能影響巷道頂板和兩幫的穩(wěn)定性，挖底時留設幫角或在幫角處做圓弧過渡有利于巷道的整體穩(wěn)定性。

2)通過相似材料模擬試驗驗證了巷道淺部圍巖破壞會導致應力向深部圍巖轉(zhuǎn)移，從而影響巷道頂板和兩幫的穩(wěn)定性。

3)通過監(jiān)測巷道頂板和兩幫在挖底前后的變形情況，表明挖底作業(yè)會影響巷道底板和兩幫的穩(wěn)定性，且?guī)筒繉ν诘鬃鳂I(yè)更為敏感。