大斷面巷道變形破壞特征及支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用

石新禹

（陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦，陜西 延安 727307）

0 引言

我國煤炭生產(chǎn)多采用井工開采，巷道總量長約3 萬公里，采準(zhǔn)巷道和回采巷道占80%以上，因此，巷道支護(hù)成為煤炭開采中的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。近些年來，由于巷道掘進(jìn)技術(shù)更新、工作面綜合機(jī)械化程度不斷提高，大斷面巷道隨之增多，支護(hù)難度相應(yīng)提升[1]。

國外學(xué)者針對(duì)大斷面巷道支護(hù)問題主要從圍巖力學(xué)參數(shù)測試、錨桿支護(hù)理論、錨桿施工機(jī)具研發(fā)、錨桿支護(hù)監(jiān)測儀器等方面展開研究，重點(diǎn)采用高強(qiáng)度、高可靠性錨桿對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)[2-3]。國內(nèi)學(xué)者在21 世紀(jì)后巷道支護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展基礎(chǔ)上，提出了多種錨桿支護(hù)理論、動(dòng)態(tài)性系統(tǒng)性錨桿支護(hù)方法、高強(qiáng)度樹脂錨固錨桿支護(hù)系統(tǒng)等支護(hù)體系，研發(fā)了掘- 支一體化施工裝備，頂板離層儀、錨桿（索） 測力計(jì)等支護(hù)監(jiān)測儀器，極大發(fā)展完善了我國大斷面巷道支護(hù)理論與技術(shù)[4-5]。但伴隨礦井采掘技術(shù)的不斷更新，快速掘進(jìn)下大斷面巷道支護(hù)仍面臨許多難題。本文以黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦1010 回風(fēng)平巷為工程背景，采用數(shù)值模擬與理論計(jì)算相結(jié)合的方法，分析大斷面巷道變形特征，確定合理的支護(hù)方案，為礦井安全高效開采提供保障。

1 概況

黃陵礦業(yè)一號(hào)煤礦隸屬于陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限公司，現(xiàn)主要開采2 號(hào)煤層，傾角1°～5°，平均厚度2.5 m，具有瀝青光澤，條帶狀、線理狀結(jié)構(gòu)，層狀、塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)簡單，屬于穩(wěn)定煤層。煤層直接頂主要為粉砂巖和泥巖，平均厚度為6.6 m，基本頂為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，平均厚度10.8 m。底板為泥巖、細(xì)粒砂巖，平均厚度8.0 m。煤巖層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 煤巖柱狀圖Fig.1 Coal rock histogram

1010 回風(fēng)平巷位于十盤區(qū)中部，南鄰1009 回風(fēng)順槽（已掘進(jìn)到位），北為1011 回風(fēng)順槽（未掘進(jìn)），東接北一進(jìn)風(fēng)大巷，西鄰六盤區(qū)。巷道設(shè)計(jì)長度3 159.7 m，斷面寬度5.2 m，高度3.0 m，面積為15.6 m2。

2 大斷面巷道變形破壞特征

2.1 模型建立

為了研究1010 大斷面回風(fēng)巷道變形破壞特征，根據(jù)地質(zhì)資料及煤巖層物理力學(xué)參數(shù)（表1），利用三維有限差分軟件FLAC3D 建立三維數(shù)值模型，對(duì)巷道圍巖的位移場、應(yīng)力場及破壞場進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模型尺寸為：寬X×厚Y×高Z=60 m×5 m×65 m，巷道掘進(jìn)方向沿Y 軸正方向，采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，打開模型大變形特征，固定模型底部，上部施加覆巖等效載荷，模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，整個(gè)模型由53 480 個(gè)單元組成，包括60 324 個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立的數(shù)值模型如圖2 所示。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanical parameters of coal rock

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 無支護(hù)條件下巷道位移分布特征

圖3 為回風(fēng)巷道在無支護(hù)條件下圍巖位移分布特征云圖。由圖3 可以看出，巷道圍巖受開采擾動(dòng)作用發(fā)生移動(dòng)變形，頂板處位移變化明顯，發(fā)生大變形區(qū)域較大，位移等值線沿巷道中心線呈對(duì)稱拱形狀分布，最大位移量為0.13 m。巷道兩幫處產(chǎn)生較明顯變形，最大位移量為0.09 m。巷道底板處發(fā)生變形區(qū)域較小，且位移值較小，最大位移量為0.05 m。說明無支護(hù)條件下，巷道圍巖變形特征表現(xiàn)出：頂板＞兩幫＞底板，即巷道頂板和兩幫是支護(hù)的關(guān)鍵部位。

圖3 無支護(hù)條件下圍巖位移分布特征Fig.3 Displacement distribution characteristics of surrounding rock without support

2.2.2 無支護(hù)條件下巷道應(yīng)力分布特征

圖4 為回風(fēng)巷道在無支護(hù)條件下圍巖垂直應(yīng)力與剪切應(yīng)力分布特征云圖。由圖4（a） 可以看出巷道開挖后，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞并進(jìn)行重新分布。以巷道中心線為軸線，覆巖應(yīng)力分別向巷道兩側(cè)煤壁傳遞轉(zhuǎn)移，巷道的應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在巷道頂?shù)装寮皟蓭蛥^(qū)域，兩幫應(yīng)力集中深度達(dá)6.4 m，最大垂直應(yīng)力集中值為10.4 MPa。由圖4（b）可以看出在巷道肩角和底角處形成剪應(yīng)力集中區(qū)，最大剪應(yīng)力值為2.4 MPa，即巷道頂?shù)捉俏恢靡装l(fā)生剪切破壞，需增加其抗剪切作用能力。

圖4 無支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力分布特征Fig.4 Stress distribution characteristics of surrounding rock without support

2.2.3 無支護(hù)條件下巷道塑性區(qū)分布特征

圖5 為回風(fēng)巷道在無支護(hù)條件下圍巖塑性區(qū)分布特征云圖。由圖5 可以看出，巷道圍巖塑性區(qū)呈“蝶形”分布，巷道肩角、底角處主要發(fā)生剪切破壞，肩角處塑性破壞高度向上延伸至4.4 m，底角處塑性破壞向下延伸深度相對(duì)較小，大小為3.5 m。巷道頂?shù)装逯饕l(fā)生拉伸破壞，且頂板塑性破壞的范圍較底板大，其塑性破壞高度為3.0 m。

圖5 無支護(hù)條件下圍巖塑性區(qū)分布特征Fig.5 Distribution characteristics of plastic zone of surrounding rock without support

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 圍巖類別判定

由極限平衡法計(jì)算巷道極限平衡深度△和周邊位移μ，可得：

式中：R為極限平衡區(qū)半徑；R0為巷道理論半徑，取2.74 m；γH為自重應(yīng)力，取6.25 MPa；Pi為支護(hù)阻力，可以忽略，取0；C為巖石內(nèi)聚力，取3.1 MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，取30°；K1為采動(dòng)影響系數(shù)，取1.6；K2為煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)，取1/2.5。

可得R=4.6 m，則極限平衡深度△=R-R0=1.86 m。

式中：μ 為巷道周邊位移，m；G為剪切模量，取371 MPa。

可得μ=0.351 m。

通過與巷道圍巖分類及支護(hù)設(shè)計(jì)參考表比較，其中△=1.86 m＞1.5 m，μ=351 mm＞300 mm，則1010 回風(fēng)巷道圍巖屬于III1類。

3.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)參考表，III1類圍巖推薦錨網(wǎng)梁+錨索組合支護(hù)方式，結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，選取左旋螺紋鋼錨桿＋金屬網(wǎng)+金屬梁＋錨索支護(hù)方式。

3.2.1 錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 錨桿長度L。

錨桿長度根據(jù)式（3） 計(jì)算：

式中：L1為錨桿錨固段長度，取0.6 m；△為極限平衡區(qū)深入圍巖深度，1.86 m；L3為錨桿外露長度，取0.1 m。

可得錨桿長度L=2.46 m，取2.5 m。

（2） 錨桿直徑D。

式中：T為錨桿拉拔力，40 ～100 kN；[σ]為桿體材料的許用強(qiáng)度，取340 MPa。

可得錨桿直徑D=12 ～20 mm，取20 mm。

（3） 錨桿間排距ɑ、b。

式中：S為單個(gè)錨桿支護(hù)面積，m2；qd為需支護(hù)加固最大荷載密度，取165 kN/m2。

可得S=0.448 9 m，則錨桿間排距a×b=0.6 m×0.8 m。

（4） 錨固長度L2。

式中：P為錨桿載荷，取100 kN；dy為鉆孔直徑，取28 mm；πy為錨固劑與煤體的黏結(jié)強(qiáng)度，取1 MPa。

可得錨固長度L2=1.13 m，取1.2 m。

由數(shù)值計(jì)算分析可知，巷道頂板塑性破壞范圍為3.0 ～4.4 m，錨桿難以有效支護(hù)，需增加錨索保證巷道穩(wěn)定性。

3.2.2 錨索設(shè)計(jì)參數(shù)

（1） 錨索長度X。

式中：X1為錨索外露長度，取0.3 m；X2為圍巖塑性破壞深度，取4.4 m；X3為錨索的錨固長度，取1.8 m。

可得錨索長度X=6.5 m。

（2） 錨索排距M。

式中：n為每排錨索個(gè)數(shù)，取2 ～3；Y1為錨索的屈服載荷，取221.5 kN；B為巷道寬度，取5.2 m；γ 為煤或巖石的體積質(zhì)量，取13 kN/m3；φ為內(nèi)摩擦角，取30°。

可得錨索排距M=0.8 m。

綜合以上計(jì)算研究，選取錨桿材質(zhì)為20 Mnsi的左旋無縱筋螺紋鋼，選用7 股5 mm 高強(qiáng)度剛絞線為錨索，配用10 號(hào)鐵絲加工的50 mm×50 mm的菱形金屬網(wǎng)，以及鋼筋直徑14 mm 的托梁。

3.3 支護(hù)后巷道穩(wěn)定性分析

3.3.1 支護(hù)后巷道位移特征

由圖6 可以看出，回風(fēng)巷道支護(hù)后，巷道頂板最大位移值為0.037 m，頂板下沉趨勢(shì)明顯減小，巷道位移變形區(qū)域均集中在永久支護(hù)控制范圍內(nèi)，因此可推斷，錨桿（索） 支護(hù)有效控制了圍巖移動(dòng)變形。巷道兩幫位移減小0.05 m，底板位移減小0.03 m，推測錨桿支護(hù)增加了煤幫強(qiáng)度，幫部變形量明顯得到有效控制，且由于實(shí)施錨桿支護(hù)，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸向煤幫深部轉(zhuǎn)移，淺部圍巖得到有效控制，削弱了巷道底板受煤幫變形產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力，減小了巷道底鼓量。

圖6 支護(hù)后圍巖位移分布特征Fig.6 Displacement distribution characteristics of surrounding rock after support

3.3.2 支護(hù)后巷道應(yīng)力特征

由圖7（a） 可以看出，巷道支護(hù)后，頂?shù)装宕怪睉?yīng)力釋放區(qū)范圍明顯減小，兩幫垂直應(yīng)力集中區(qū)向煤壁靠近，最大垂直應(yīng)力值增至15.9 MPa，其由于支護(hù)后巷道頂板應(yīng)力拱跨度減小，拱腳向煤壁靠近，同時(shí)應(yīng)力拱承載載荷增加，使應(yīng)力集中區(qū)的集中應(yīng)力值增加。圖7（b） 可以看出，在巷道肩角與底角處形成的剪應(yīng)力集中區(qū)范圍減小，在錨桿支護(hù)作用下剪應(yīng)力值較支護(hù)前有所增加，即該區(qū)域巖體抗剪切能力增強(qiáng)。

圖7 支護(hù)后圍巖應(yīng)力分布特征Fig.7 Stress distribution characteristics of surrounding rock after support

3.3.3 支護(hù)后巷道圍巖塑性破壞特征

由圖8 可知，巷道支護(hù)后塑性破壞區(qū)范圍明顯減小，巷道肩角、底角處剪切破壞區(qū)域大幅縮減，頂板塑性區(qū)最大破壞高度縮小至2.5 m，底板基本未發(fā)生塑性破壞。說明錨網(wǎng)索有效控制了頂板下沉，限制了兩幫變形，制止了底鼓發(fā)生。

圖8 支護(hù)后圍巖塑性區(qū)分布特征Fig.8 Distribution characteristics of plastic zone of surrounding rock after support

4 現(xiàn)場巷道支護(hù)施工要求

4.1 錨桿支護(hù)施工安全規(guī)定

（1） 特殊地點(diǎn)采用特殊支護(hù)及加強(qiáng)支護(hù)措施時(shí)，其支護(hù)范圍應(yīng)延伸至巷道正常段起點(diǎn)以外5 ～10 m。

（2） 錨桿支護(hù)長距離獨(dú)頭施工時(shí)，應(yīng)實(shí)施中間貫通，以改善通風(fēng)、運(yùn)輸條件，并提高抗災(zāi)變的能力。

（3） 對(duì)錨桿支護(hù)巷道應(yīng)進(jìn)行定期檢查。對(duì)頂板、煤幫失效錨桿應(yīng)及時(shí)補(bǔ)打，對(duì)松動(dòng)的螺母及時(shí)緊固。

4.2 錨索支護(hù)施工一般要求

（1） 技術(shù)要求。錨索孔深誤差控制在±30 mm；錨索外露長度控制在（200±20） mm；錨索安裝48 h 后，如發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力下降，必須及時(shí)補(bǔ)拉；張拉發(fā)現(xiàn)錨固不合格錨索，立即在其附近補(bǔ)打合格錨索。

（2） 施工安全措施。錨索要隨打隨安裝，但可把當(dāng)班安裝的錨索集中一次進(jìn)行張拉；禁止在錨索、錨桿上系導(dǎo)鏈、滑輪起吊大件。

5 結(jié)論

（1） 大斷面巷道未支護(hù)條件下，頂板處位移變化明顯，發(fā)生大變形區(qū)域較大，巷道圍巖位移特征表現(xiàn)出：頂板＞兩幫＞底板；巷道肩角和底角處形成剪應(yīng)力集中區(qū)，易發(fā)生剪切破壞；圍巖塑性區(qū)呈“蝶形”分布，頂?shù)装逯饕l(fā)生拉伸破壞，四角處發(fā)生剪切破壞，塑性破壞范圍較大，需進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

（2） 根據(jù)極限平衡理論確定巷道圍巖為III1類，結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，選取左旋螺紋鋼錨桿＋金屬網(wǎng)+金屬梁＋錨索支護(hù)方式，通過理論計(jì)算得出錨桿（索） 具體設(shè)計(jì)參數(shù)。

（3） 大斷面巷道支護(hù)后頂板下沉量大幅降低，兩幫、底板位移量減小；巷道肩角和底角處剪應(yīng)力集中區(qū)范圍減小，圍巖塑性破壞區(qū)域縮減。即錨桿、錨索有效防治了巖層變形破壞，控制了頂板下沉，限制了兩幫變形，制止了底鼓發(fā)生。