張世威，張躍錚

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

回采巷道是僅為采煤工作面生產(chǎn)服務(wù)的巷道，服務(wù)年限較短，一般在0.5～1.0年，回采巷道的布置和支護(hù)措施對煤炭開采具有重要影響，直接關(guān)系到煤炭的生產(chǎn)水平和效益。巷道的斷面形狀是影響巷道受力狀態(tài)和支護(hù)狀況的重要因素，長期以來，國內(nèi)外學(xué)者和專家對巷道的斷面形狀做了深入、廣泛的研究，提出了多種巷道斷面形式，按其構(gòu)成的外輪廓線可分為矩形類、梯形類、拱形類和圓形類共四大類。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，矩形斷面巷道由于開挖和支護(hù)方便，斷面利用率高，越來越多地在布置回采巷道時被選用。但矩形斷面巷道存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中問題，所以，對矩形巷道圍巖的受力和變形的研究極為重要，有利于支護(hù)方案的選擇。

本文在一定的地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Flac數(shù)值模擬軟件對巷道的受力和變形進(jìn)行分析，并根據(jù)數(shù)值模擬和分析結(jié)果，對矩形巷道的支護(hù)方法提出合理建議。

1 參數(shù)選取和計算模型的建立

1.1 參數(shù)計算和選取

101運(yùn)輸巷位于廣隆礦井的南翼，由軌道上山下口沿3#煤層向上，該巷為101回采工作面的運(yùn)輸、通風(fēng)服務(wù)。3#煤層位于龍?zhí)督M中上部，平均埋深為256 m。101運(yùn)輸巷沿煤層掘進(jìn)，不挑頂不臥底，巷道采用矩形斷面，面積為2.2 m×2.6 m。直接頂板為粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，力學(xué)強(qiáng)度中等，直接底板為泥巖，力學(xué)強(qiáng)度低。圍巖基本力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道圍巖力學(xué)特性參數(shù)表

根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者金尼克(A.H.GENNIK)修正的海姆(A.heim)的地應(yīng)力計算公式，認(rèn)為地殼中各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力(水平應(yīng)力)是泊松效應(yīng)的結(jié)果，其大小應(yīng)為垂直應(yīng)力乘以一個系數(shù)λ，并且根據(jù)彈性力學(xué)原理:其中，μ為上覆巖層的泊松比。

經(jīng)過修正后的地殼巖體應(yīng)力表達(dá)式為:

若巖層有多層重力密度的巖層組成，各層的厚度為 hi(i=1，2，…，n)，重度為 γi(i=1，2，…，n)，泊松比為μi(i=1，2，…，n)，則第 n層底面巖體的自重初始應(yīng)力為:

這樣由于頂板、煤層和底板巖性不同，泊松比不同，就會造成巖石層和煤層側(cè)向壓力的不同，上覆巖層重度平均值取26 kN/m3，則垂直壓力:

頂板巖層受到的側(cè)向壓力:

煤層受到的側(cè)向壓力:

底板巖層受到的側(cè)向壓力:

1.2 數(shù)值模型的建立

數(shù)值模型沿巷道延伸方向取一個單位寬度的剖面，數(shù)值模型的邊界條件為模型的上部邊界采用應(yīng)力邊界條件，模型的左右邊界為簡支邊，水平位移為零，模型下邊界為固支邊，力學(xué)計算模型示意圖見圖1。巷道開挖引起應(yīng)力重新分布的影響半徑為，在有限元計算常取5r的范圍作為計算域，以此建立的三維立體計算模型見圖2，尺寸為33.8 mm×1.0 mm×24.2 m。

圖1 力學(xué)計算模型示意圖

圖2 巷道三維計算模型示意圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用Flac模擬的主要作用是觀察和研究矩形巷道的受力狀態(tài)和變形規(guī)律，并提出合理的支護(hù)措施。為此，數(shù)值模擬是在矩形巷道開挖后不支護(hù)條件下進(jìn)行的。這就會出現(xiàn)一個問題，根據(jù)理論研究，矩形巷道由于有尖角的存在，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)置成大變形的條件下，巷道最終將因嚴(yán)重變形而破壞。根據(jù)研究目的并考慮模擬效果，通過模擬得出計算第200時間步時的圍巖的受力和變形情況。第200時間步圍巖的塑性分布見圖3。

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)分布示意圖

2.1 塑性區(qū)分布

該矩形斷面巷道圍巖塑性區(qū)分布存在以下特征:塑性區(qū)域較大(包括受拉屈服和受剪屈服)，在巷道周邊均有分布，角點(diǎn)處由于存在明顯的應(yīng)力集中，最先進(jìn)入塑性狀態(tài)。其中頂板塑性區(qū)深度較兩幫和底板大，底板是泥巖，強(qiáng)度較弱，由于兩幫煤壁的垂直壓力和側(cè)壓力的作用，也會產(chǎn)生較大的塑性變形，從而導(dǎo)致底臌。

2.2 圍巖應(yīng)力

模擬開挖第200時間步時，巷道圍巖所受到的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布云圖見圖4，圖5。

圖4 巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖5 巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖

開挖巷道破壞了圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)，隨著圍巖的變形，圍巖中的應(yīng)力重新分布，在巷道掘進(jìn)影響區(qū)內(nèi)具體表現(xiàn)為巷道變形速度較快，隨著巷道遠(yuǎn)離掘進(jìn)頭圍巖變形速度遞減，直到圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)或穩(wěn)定變形狀態(tài)，此時巷道圍巖應(yīng)力場基本成為穩(wěn)定應(yīng)力場，圍巖應(yīng)力大小和方向不隨著時間的變化而變化。這是巷道開挖后，圍巖中應(yīng)力變化的基本過程。但由于圍巖性質(zhì)和所處地應(yīng)力場的不同，以及開挖方式和斷面形狀，支護(hù)方式的不同，圍巖應(yīng)力變化情況又有所不同。

就矩形巷道的掘進(jìn)而言，巷道上方巖層在荷載作用下，將向矩形巷道周圍新的支撐點(diǎn)轉(zhuǎn)移，引起矩形巷道圍巖應(yīng)力重新分布，在巷道四周形成支承壓力帶，圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，主要表現(xiàn)為:巷道4個角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，頂、底板出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。隨著荷載的增加，頂、底板的破壞加劇，承載能力明顯降低，巷道的壓力轉(zhuǎn)移到兩幫，致使巷道兩幫的受壓破壞加劇，頂、底板的受拉破壞發(fā)展較緩慢。

矩形巷道頂板中往往會出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，且最先出現(xiàn)破壞裂紋。頂板破裂將會使應(yīng)力轉(zhuǎn)移到巷道兩幫，從而引起巷道嚴(yán)重變形，所以開挖矩形巷道后，應(yīng)及時采取措施來加固頂板。

2.3 圍巖變形情況

開挖后模擬進(jìn)行到第200時間步時的豎直方向和水平位移分布云圖見圖6，圖7。從圖6，圖7可以看出，由于頂板是粉砂巖，強(qiáng)度相對較高，因此，下沉量較小，而底板是強(qiáng)度較低的泥巖，強(qiáng)度較低，而且受到巷幫的垂直壓力作用和水平壓力作用，加上地下水的侵蝕，會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的底臌現(xiàn)象。從而造成頂?shù)装宓南鄬σ平恳草^大。兩幫為煤層，強(qiáng)度較低，而且由于兩幫中存在應(yīng)力集中，因此，兩幫相對移近量較大。所以，在矩形巷道開挖后應(yīng)采取有效措施進(jìn)行及時支護(hù)，否則，會因?yàn)樽冃芜^大而造成支護(hù)困難，甚至影響新掘巷道的使用。

圖6 豎直方向位移分布云圖

圖7 水平方向位移分布云圖

3 支護(hù)方案分析

巷道圍巖控制是控制巷道圍巖的礦山壓力和周邊位移所采取措施的總和。其實(shí)質(zhì)是，依據(jù)巷道圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度及其相互關(guān)系，選擇合適的巷道布置和保護(hù)及支護(hù)形式。目前巷道支護(hù)方法主要有:棚式支架支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)和注漿加固。根據(jù)上文對塑性區(qū)分布、應(yīng)力分布和變形情況的分析，對101運(yùn)輸巷的支護(hù)提出以下建議:

1)對新掘巷道圍巖及時進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)并施加足夠的預(yù)緊力，可有效控制圍巖裂隙的張開，使圍巖形成次生承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖承載能力，進(jìn)而防止圍巖擴(kuò)容破壞的發(fā)生，是解決高應(yīng)力巷道圍巖變形破壞的根本、可靠方法。

2)矩形巷道四個角點(diǎn)和邊中點(diǎn)存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道開挖后應(yīng)立即對其進(jìn)行支護(hù)主動控制，減弱因巷道斷面形狀上突變所引起的應(yīng)力突變影響程度，限制圍巖松動圈的發(fā)展。

3)對于底臌，可以采用底板注漿的辦法進(jìn)行治理。通過注漿來加固破碎的底板巖層，提高其抗變形能力，以阻止底臌的發(fā)生。底板注漿防治底臌是一種很有前途的防治底臌的有效措施。

4 結(jié)論

1)矩形巷道由于尖角的存在，在4個角點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中，頂、底板出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，塑性區(qū)分布較廣，角點(diǎn)最先進(jìn)入塑性狀態(tài)，頂板塑性區(qū)深度最大，底板由于強(qiáng)度較低，發(fā)生底臌現(xiàn)象。頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平慷己艽蟆?/p>

2)根據(jù)圍巖的應(yīng)力狀況和變形情況，采取及時支護(hù)，錨桿錨索加固圍巖形成次生承載結(jié)構(gòu)的支護(hù)方式。針對底臌現(xiàn)象嚴(yán)重，提出了底板注漿防止底臌的處理方法。

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