礦井巷道頂板“拱- 梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

趙常慶

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036000）

引言

在煤炭行業(yè)不斷的發(fā)展過(guò)程中，安全生產(chǎn)問(wèn)題始終是行業(yè)發(fā)展的首要問(wèn)題，由于礦井內(nèi)有許多不可控安全因素，要求煤礦行業(yè)技術(shù)人員將各種安全細(xì)節(jié)均要考慮在內(nèi)。煤礦行業(yè)想要高質(zhì)量的發(fā)展，必須避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，同時(shí)這也是實(shí)現(xiàn)上下游產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的根本。由于煤礦地層大多數(shù)為層狀沉積巖，在受到地質(zhì)構(gòu)造作用的情況下，容易發(fā)生彎曲折斷。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，受到該類地層的作用影響，需要對(duì)礦井巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)作用，防止頂部受到地質(zhì)作用后發(fā)生折斷。目前常用的頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)為錨索- 錨桿結(jié)構(gòu)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況觀察，該類支護(hù)結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷。因此，研究根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦井頂板受力狀況以及工作面兩幫變形情況而設(shè)計(jì)的“拱- 梁”型支護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)ο锏理敯瀹a(chǎn)生良好的支護(hù)作用，也可以減小礦井工作面兩幫的水平位移，有助于提高礦井工作面支護(hù)工作性能。“拱- 梁”型支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于大多數(shù)礦井工作面頂板結(jié)構(gòu)支護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)，支護(hù)效果良好[1-2]。

1 煤礦巷道頂板變形破壞類型

礦井巷道變形所受到的破壞主要來(lái)自于周圍圍巖結(jié)構(gòu)的破壞，針對(duì)不同的巷道力學(xué)特性影響，所形成的巷道變形破壞對(duì)頂板所造成的破壞機(jī)理也大為不同。據(jù)查閱相關(guān)資料可知，頂板變形破壞可以分為四類：撓曲變形分層破壞、剪切破壞、拉斷破壞、擠壓流動(dòng)破壞。以下對(duì)四種破壞類型進(jìn)行分析[3-4]。

1.1 撓曲變形分層破壞

該類型的頂板破壞機(jī)理主要是由于頂板之間層狀巖石結(jié)構(gòu)的黏結(jié)力較弱，幾乎可以認(rèn)為兩個(gè)形狀之間地質(zhì)結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單的疊合狀態(tài)，通過(guò)將該類型巷道頂板簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，可知整體結(jié)構(gòu)梁中間的撓度值最大。巖層在變形的時(shí)候主要與巖石結(jié)構(gòu)的彈性模量和厚度有關(guān)，導(dǎo)致了垂直方向巖層上具有不同的撓度，從而出現(xiàn)離層現(xiàn)象。破壞機(jī)理的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 離層撓曲破壞機(jī)理結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 剪切破壞

剪切破壞的結(jié)構(gòu)易于理解，該類型的破壞形式可以分成兩種情況進(jìn)行討論。第一種情況為在水平方向產(chǎn)生應(yīng)力作用后，軟弱地質(zhì)層就會(huì)發(fā)生剪切破壞；第二種情況是巷道局部產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)剪切應(yīng)力大于巖石的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)形成相互錯(cuò)動(dòng)的作用面，從而產(chǎn)生剪切破壞作用[5-6]。

1.3 拉斷破壞

由于巖石的特殊屬性造就了巖石容易發(fā)生拉斷破壞，從力學(xué)角度分析，巖石的抗拉強(qiáng)度相比于抗壓和抗剪強(qiáng)度是最低的，在地質(zhì)外部作用力的情況下，就會(huì)使巖石產(chǎn)生拉斷效應(yīng)，從而造成礦井工作面頂板的拉斷破壞，破壞機(jī)理示意圖如圖2 所示。

1.4 擠壓流動(dòng)破壞

圖2 頂板拉斷破壞機(jī)理示意圖

工作面頂板在受到水平和垂直兩個(gè)方向的作用力后就會(huì)在頂?shù)装瀹a(chǎn)生拉應(yīng)力，形成拉應(yīng)力分布區(qū)后就會(huì)使巷道周圍產(chǎn)生細(xì)微的裂紋，在長(zhǎng)時(shí)間作用力下就會(huì)產(chǎn)生裂隙。隨著時(shí)間的發(fā)展就會(huì)使裂隙不斷增長(zhǎng)，形成了裂隙網(wǎng)。對(duì)于整個(gè)工作面的拉應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)中間的拉應(yīng)力大，而兩邊的拉應(yīng)力小，造成了工作面四周圍巖的擠壓流動(dòng)破壞。

2 巷道頂板仿真模型的建立

2.1 力學(xué)模型的建立

在對(duì)煤礦工作面進(jìn)行開(kāi)挖后，工作面巷道四周的圍巖在受到開(kāi)挖作用力后會(huì)形成應(yīng)力重新分布狀態(tài)，圍巖在受到作用力擾動(dòng)后的應(yīng)力會(huì)逐步增大，最終增大到將整個(gè)巖體形成一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)為止，但是各個(gè)巖石體之間沒(méi)有形成相互之間的作用力，處于一種比較松散的狀態(tài)。

因此在開(kāi)挖后應(yīng)進(jìn)行及時(shí)支護(hù)作業(yè)，不然巷道頂板就會(huì)發(fā)生比較大的變形，如果此時(shí)巖石體受到拉應(yīng)力作用后就會(huì)在頂部形成一個(gè)拉應(yīng)力邊界線，此時(shí)邊界線的應(yīng)力交點(diǎn)將擴(kuò)散至頂部的兩角，如果將各個(gè)邊界線進(jìn)行連接就會(huì)形成拱曲線，也稱自穩(wěn)隱形拱曲線。巷道工作面頂板的“拱—梁”結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 “拱- 梁”結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 仿真模型的建立

采用FLAC3D 仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行建立，建立起煤礦整體模型尺寸為5.5 m×3.8 m，擴(kuò)大整體模型的建立范圍，并將模型沿著工作面縱向設(shè)置2 m的模型深度。按照實(shí)際工況條件設(shè)置邊界條件，考慮整體模型為無(wú)反射邊界條件，符合實(shí)際地質(zhì)模型結(jié)構(gòu)，建立起的仿真模型為理想材質(zhì)，材料屬性為各項(xiàng)同性材料。對(duì)模型的位移進(jìn)行限制，主要限制為X方向和Z 方向。對(duì)于模型的仿真本構(gòu)模型為SOLID65，符合煤炭地質(zhì)材料的仿真計(jì)算，具體模型示意圖如圖4 所示。

3 “拱-梁”結(jié)構(gòu)支護(hù)效果

根據(jù)煤礦行業(yè)對(duì)于工作面支護(hù)方案的調(diào)研分析，為了驗(yàn)證“拱- 梁”結(jié)構(gòu)支護(hù)效果的優(yōu)劣性，對(duì)比無(wú)支護(hù)、頂幫錨桿、錨索- 錨桿支護(hù)在支護(hù)頂板方面的工作性能。對(duì)比分析四種不同的支護(hù)形式在巷道頂板及兩幫的位移情況，如圖5、圖6 所示。

圖4 巷道工作面仿真模型示意圖

圖5 巷道頂板豎向位移對(duì)比分析示意圖

圖6 巷道兩幫位移對(duì)比分析示意圖

三種支護(hù)情況下巷道頂板最大沉降都發(fā)生在巷道頂板中心位置處，而三種不同支護(hù)情況下位移的大小也直接反映了巷道變形效果及其支護(hù)效果，可以看到巷道在無(wú)支護(hù)情況下頂板最大變形量為84.11 mm，巷道在只進(jìn)行頂幫錨桿支護(hù)情況下頂板最大變形量為58.89 mm，而在進(jìn)行錨索錨桿支護(hù)下頂板最大沉降量為12.51 mm。因此相對(duì)巷道不進(jìn)行支護(hù)，頂幫錨桿支護(hù)情況下最大變形量降低了26.44%，而錨索錨桿支護(hù)情況下，頂板位移降低了79.22%。

當(dāng)巷道進(jìn)行頂幫錨桿支護(hù)后可明顯看出巷道頂板的受拉塑性區(qū)明顯減小，而采用全斷面錨索錨桿支護(hù)后，巷道頂板的受拉塑性區(qū)和受剪塑性區(qū)都明顯減小。通過(guò)軟件的內(nèi)部命令可以求得巷道開(kāi)挖后的塑性區(qū)面積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：無(wú)支護(hù)情況下巷道圍巖的塑性區(qū)面積為51.88 m2，頂幫錨桿支護(hù)下巷道圍巖的塑性區(qū)的面積為40.15 m2，相比于無(wú)支護(hù)情況，塑性區(qū)面積減少了22.61%。而采用錨索錨桿支護(hù)后塑性區(qū)面積為21.674 m2，相比于無(wú)支護(hù)情況，塑性區(qū)面積減少了58.22%，說(shuō)明采用錨索+錨桿支護(hù)會(huì)對(duì)控制巷道變形破壞有很明顯的作用。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示，采用“拱- 梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效控制巷道的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

提高巷道頂板支護(hù)效果以此提升圍巖的穩(wěn)定性是關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)發(fā)展的重要因素之一。通過(guò)聯(lián)系實(shí)際工況條件，以大多數(shù)工作面頂板為研究對(duì)象，采用了數(shù)值模擬分析的方法對(duì)“拱- 梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)工作性能進(jìn)行了分析，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明“拱- 梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)在對(duì)礦井巷道頂板的支護(hù)性能方面有較大的提高。研究成果為煤礦行業(yè)研發(fā)新型支護(hù)設(shè)備提供了依據(jù)。