5102 回風(fēng)順槽復(fù)合片幫原因及支護(hù)優(yōu)化研究

郝東梁

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024）

巷道煤幫在集中應(yīng)力作用下產(chǎn)生大量裂隙，抗拉強(qiáng)度小、承載能力弱的巷幫煤體將發(fā)生剪切滑落式片幫[1-2]。永定莊煤礦5102 回風(fēng)順槽在回采和掘進(jìn)的影響下出現(xiàn)片幫問(wèn)題，巷道幫部發(fā)生片幫后致使巷道的跨距增加，進(jìn)而導(dǎo)致巷道整體穩(wěn)定性降低，因此，如何有效控制巷幫的穩(wěn)定成為了5102 回風(fēng)順槽當(dāng)前亟需解決的主要問(wèn)題。本文以永定莊煤礦北盤(pán)區(qū)5102 回風(fēng)順槽為例，通過(guò)分析巷道片幫的失穩(wěn)原因，提出巷道片幫的支護(hù)優(yōu)化措施[1-5]。

1 工程背景

5102 回風(fēng)順槽位于北部盤(pán)區(qū)，工作面標(biāo)高771～782 m，煤層平均傾角為2°，屬近水平煤層，設(shè)計(jì)斷面為4.8 m×3.8 m 的矩形巷道，巷道設(shè)計(jì)施工全長(zhǎng)為1 073.3 m?；卷敒樯皫r（以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖為主），厚度為15.32 m；直接頂為砂巖（以粉砂巖、高嶺巖為主），厚度為2.70 m；直接底為砂巖（以高嶺質(zhì)泥巖、粉砂巖、高嶺巖為主），厚度為2.51 m。5102 巷兩幫采用Ф20 mm×2400 mm 的無(wú)縱筋全螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，配套200 mm×200 mm×12 mm 托盤(pán)，網(wǎng)片采用Ф6.5 mm 鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為1700 mm×900 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm。錨桿垂直于巷道幫部安裝，上部第一根錨桿距頂板0.4 m，間距1 m，排距0.9 m。

由于5102 回風(fēng)順槽與北盤(pán)區(qū)8103 工作面采空區(qū)相隔8 m 保護(hù)煤柱，因此在5102 回風(fēng)順槽的掘進(jìn)過(guò)程中，受開(kāi)挖擾動(dòng)和圍巖壓力影響多處發(fā)生片幫問(wèn)題，破壞主要集中出現(xiàn)在巷幫中上部，嚴(yán)重影響了巷道的掘進(jìn)效率和安全生產(chǎn)。

2 巷幫失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

巷道中常見(jiàn)的片幫模式包括拉裂型片幫和滑移型片幫[3-4]。拉裂型片幫往往發(fā)生在較為堅(jiān)硬的煤層，巷道兩幫的硬煤在支承壓力P 作用下產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，由于硬煤的變形量較小，當(dāng)水平方向拉應(yīng)力大于煤體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巷道幫部將發(fā)生如圖1（a）所示的拉裂型片幫。對(duì)于軟煤層而言，巷道兩幫的壓應(yīng)力能夠使其壓縮變形，最終導(dǎo)致巷幫內(nèi)剪應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度，發(fā)生如圖1（b）所示的滑移型片幫。

圖1 巷道幫部不同片幫模式

在5102 回風(fēng)順槽的掘進(jìn)過(guò)程中，除了上述兩種常見(jiàn)的片幫形式以外，還存在一種拉裂型和滑移型組合的片幫模式，即復(fù)合型片幫。為了便于對(duì)復(fù)合型片幫進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)復(fù)合型片幫的力學(xué)分析模型作出如下假設(shè)：（1）由于巷道的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，可將巷道視為平變應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析；（2）假設(shè)巷道幫部煤體為連續(xù)均質(zhì)且各向同性介質(zhì)；（3）復(fù)合型片幫體在破壞面上的受力滿(mǎn)足莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，即：

式中：c 為巷幫煤體的內(nèi)聚力，Pa；φ 為巷幫煤體的內(nèi)摩擦角，（°）；σ 為垂直于剪切滑移面上的正應(yīng)力，Pa。

根據(jù)5102 回風(fēng)順槽發(fā)生的片幫情況，沿巷道縱向取單位長(zhǎng)度為研究對(duì)象，建立復(fù)合型片幫力學(xué)分析模型如圖2。圖中，h 為巷道的高度，m；b為片幫體的水平坍塌寬度，m；z 為片幫體破壞深度，m； h 為片幫體的滑移高度，m；G 為片幫體的自重，N；q 為巷幫煤體所受的壓力，Pa；α 為破壞面與水平面的夾角，其計(jì)算式為α=45°+0.5φ，（°）。

巷道兩幫上方的垂直地應(yīng)力大小為

式中：γ 為頂板至地表巖體的平均容重，N/m3；H 為埋深，m。

圖2 5201 回風(fēng)順槽復(fù)合型片幫計(jì)算模型

由圖2 的幾何關(guān)系可以看出，片幫體ACDE 的自重為：

式中：γ1為巷幫煤體的容重，N/m3。

當(dāng)巷幫煤體在垂直地應(yīng)力和自重應(yīng)力作用下達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，有：

由文獻(xiàn)可知[5]，巷道幫部煤體發(fā)生最大水平位移的位置位于距離頂板0.35 倍巷高處，即：

聯(lián)立式（2）、（3）、（4）、（5）即可得復(fù)合型片幫體的前緣破壞高度h+z=1.22 m，片幫體破壞深度z=0.52 m，水平坍塌寬度b=0.49 m。

3 復(fù)合型片幫支護(hù)參數(shù)計(jì)算

巷道幫部的支護(hù)是通過(guò)錨索將片幫體錨固到穩(wěn)定巖體來(lái)實(shí)現(xiàn)的，巷道幫部錨索長(zhǎng)度為：

式中：L0為錨索支護(hù)長(zhǎng)度，m；L1為錨索外露的長(zhǎng)度，一般取0.3 m；L2為錨索錨入穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，一般取3.0 m；k 為安全系數(shù)；L3為錨索的有效長(zhǎng)度，即片幫體水平坍塌寬度，m；L4為錨索托板長(zhǎng)度，一般取0.1 m。

取安全系數(shù)k=3，錨索外露長(zhǎng)度L1=0.3 m，錨入穩(wěn)定巖體長(zhǎng)度L2=3.0 m，錨索有效長(zhǎng)度L3=0.49 m，錨索托板長(zhǎng)度L4=0.1 m，將上述參數(shù)代入式（6）得幫部錨索長(zhǎng)度為：

L0=0.3+3.0+3×0.49+0.1=4.87 m

考慮理論計(jì)算值與工程實(shí)際的偏差，5102 巷兩幫每隔0.9 m 各布置Ф21.8 mm×5300 mm 錨索3根，配套200 mm×200 mm×12 mm 托盤(pán)，配合長(zhǎng)2500 mm 的三眼（眼距1 m）JW 錨索鋼帶，固定用長(zhǎng)×寬=3700 mm×1700 mm 的金屬網(wǎng)，采用長(zhǎng)邊順巷方向布置。護(hù)幫錨索垂直于巷壁安裝，上部第一根護(hù)幫錨索距頂板0.4 m，間距1 m，排距0.9 m。巷道兩幫距底板0.5 m 處，與護(hù)幫錨索齊排各布置一根Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，配套短節(jié)W鋼帶，施工角度為-20°。

4 支護(hù)效果

為了驗(yàn)證上述理論分析的合理性和工程適用性，對(duì)5102 回風(fēng)順槽進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)，檢驗(yàn)支護(hù)對(duì)巷道兩幫的控制效果。通過(guò)對(duì)該區(qū)段復(fù)合型片幫區(qū)域的巷幫進(jìn)行50 d 的連續(xù)監(jiān)測(cè)，巷道兩幫變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3。

圖3 5102 回風(fēng)順槽幫部變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖3可以看出，在5102回風(fēng)順槽掘進(jìn)0～20 d內(nèi)，該巷道幫部變形速率和變形量較大，20 d 后巷道圍巖的移近速度逐漸降低，兩幫移近速度由2.25 mm/d 降至0.115 mm/d，50 d 后逐漸趨于穩(wěn)定，50 d 后監(jiān)測(cè)到最大移近量為36 mm，巷道兩幫支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的變形量和變形速率得到了有效的控制。

5 結(jié)論

（1）5105 回風(fēng)順槽巷幫煤體由于地應(yīng)力、自重應(yīng)力及后緣拉應(yīng)力的共同作用產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)滑移面上的應(yīng)力分量大于巷幫煤體的極限強(qiáng)度時(shí)，巷道幫部將發(fā)生復(fù)合型片幫。

（2）對(duì)5105 回風(fēng)順槽兩幫采用高強(qiáng)度錨索聯(lián)合錨桿支護(hù)技術(shù)替換原有錨桿支護(hù)，可以有效改善巷幫煤體破碎情況。

（3）5102 回風(fēng)順槽支護(hù)優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效提高巷幫的整體穩(wěn)定性，滿(mǎn)足安全生產(chǎn)要求。