賈后省，李國盛，翁海龍，吉　祥

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2. 煤炭安全生產河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3.神華神東煤炭集團保德煤礦，山西 保德 036600)

0　引言

隨著煤礦開采條件的日趨惡劣，現場實際中一些埋深大、受采動影響、構造帶附近等非等壓應力環(huán)境條件下的巷道，其圍巖塑性區(qū)普遍出現異化現象，塑性區(qū)邊界不再是傳統(tǒng)理論所認為的圓形、橢圓形，而是呈現蝶葉形特征[1-5]。巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)為圓形或橢圓形特征時，頂板破壞深度相對較小，頂板控制難度亦不大；當巷道頂板出現蝶葉塑性區(qū)時，頂板塑性破壞深度一般較大，這種大范圍的塑性破壞普遍伴有巨大的膨脹壓力和強烈變形，支護難度極大，采用常規(guī)單一或簡單層次的支護難以對此類巷道的冒頂形成有效控制，需要結合這種高破裂深度巷道的冒頂機理，提出針對性頂板控制方法。

針對這種高破裂深度、變形劇烈的巷道頂板圍巖控制，現有理論和技術研究多是圍繞頂板整體分析其穩(wěn)定性控制要素，并提出了行之有效的支護理論與技術。馬念杰等[4-5]研究分析了深部采動巷道的圍巖穩(wěn)定性，認為采動應力方向決定了圍巖最大破壞深度的位置，當最大破壞深度處于頂板方向時，巷道冒頂隱患程度最大，需要支護體具備足夠的長度和延伸性能；王衛(wèi)軍等[3，6-7]認為巷道圍巖支護理念應由變形控制向穩(wěn)定控制轉變，確保巷道圍巖均勻、協(xié)調變形，消除冒頂與片幫等不安全隱患，增強巷道圍巖整體性與穩(wěn)定性，并采用“可接長錨桿+ 剛性長螺紋鋼錨桿+ 錨網+ W 鋼帶+ 噴射混凝土”綜合控制技術進行了工業(yè)性試驗，取得了顯著的控制效果；劉洪濤等[8-10]提出了基于層狀巖體巷道頂板穩(wěn)定巖層識別的支護設計方法，認為穩(wěn)定巖層是頂板破裂的上邊界，錨桿(索)錨固于穩(wěn)定巖層是消除巷道冒頂的關鍵；J. P. Li等[11-14]提出了以錨索桁架為主導的多組合支護系統(tǒng)新方法，以實現大斷面巷道頂板穩(wěn)定性控制。

本文根據非等壓應力場條件下蝶葉塑性區(qū)巷道不同層位頂板的破壞特征進行針對性研究，分析了巷道不同層位頂板的控制要點，提出了頂板層次支護方法，對于非等壓應力場條件下巷道圍巖控制具有借鑒意義。

1　巷道不同層位頂板冒落特征

巷道冒頂實質上是由巷道頂板的大范圍塑性破壞引起的，現場實際中，一些埋深大、受采動影響、構造帶附近等非等壓應力環(huán)境條件下的巷道，雙向壓力比值較大，其圍巖塑性區(qū)普遍具有蝶葉分布特征，同時主應力方向一般不是規(guī)則的垂直水平方向，主應力方向偏轉程度普遍較大，致使蝶葉向巷道頂板上方偏轉[1-5,15]。偏轉后的蝶葉塑性區(qū)會造成頂板破裂深度較大，如圖1(a)所示，建立了均質巖體平面模型，數值模擬結果顯示，蝶葉塑性區(qū)會隨著主應力方向旋轉發(fā)生同等角度的偏轉，圖1(b)～(d)為矩形巷道圍巖蝶葉塑性區(qū)形態(tài)與主應力方向關系的數值模擬結果，其中β為最大主應力的偏轉角度。不難看出，當蝶葉塑性區(qū)位于頂板正上方時，頂板破裂深度最大，冒頂隱患程度也就越大。

(H=800 m，r=2.5 m，C=3 MPa，φ=25°，λ=3.0)圖1　矩形巷道圍巖蝶葉塑性區(qū)的方向性Fig.1　Relationship between butterfly plastic zone shape and main stress orientation in surrounding rock of rectangular roadway

蝶葉塑性區(qū)圍巖破壞嚴重且伴有強烈的變形壓力，當支護不能保證蝶葉塑性區(qū)圍巖穩(wěn)定時，其頂板蝶葉塑性區(qū)圍巖便發(fā)生冒落，因此，蝶葉位于巷道頂板上方時，最容易發(fā)生冒頂事故，如圖2所示。這種巷道頂板中部蝶葉塑性區(qū)圍巖是引發(fā)巷道冒頂的最主要原因，也是巷道冒頂控制的主要對象。

圖2　巷道頂板蝶葉塑性區(qū)圍巖冒落示意Fig.2　Schematic of roof fall in surrounding rock of roadway butterfly plastic zone

由于巷道頂板蝶葉塑性區(qū)形成過程中伴隨著劇烈的變形，造成頂板淺部圍巖破碎較為嚴重，加之，巖性突變或者小型構造存在導致的頂板小范圍連續(xù)性破壞，如果在這種情況下，出現淺部頂板支護整體錨固力或支護密度較小，頂板將會出現“網兜”、漏頂或小型冒頂的隱患。

另外，巷道掘進過程中，如果遇到斷層破碎帶、應力異常區(qū)、大型鍋底矸等圍巖異常變化區(qū)情況，這類異常區(qū)域具有一定的隱蔽性，識別難度亦較大，這類圍巖的穩(wěn)定性務必在第一時間進行控制，需要大范圍的錨固，以避免巷道掘進過程中的深部層位頂板大范圍垮塌。

綜上分析，巷道圍巖塑性區(qū)呈現蝶葉形態(tài)，且蝶葉一般會朝頂板偏轉，導致頂板破裂深度較大，頂板變形也相應劇烈，采用常規(guī)單一層次的頂板支護難以對冒頂進行有效控制，以回采巷道普遍采用的“錨桿+錨索”聯(lián)合支護形式為例，當巷道處于圍巖變形量較小的掘進影響階段時，支護尚能滿足要求，但是當巷道處于圍巖變形劇烈的釆動影響階段時，時常出現因常規(guī)錨索延伸性能不足(其延伸率僅為3%左右)而導致的錨索破斷現象，極易引發(fā)巷道冒頂。因此，這類蝶葉塑性區(qū)巷道需要根據不同層位頂板的破壞特征進行針對性、多層次的支護，杜絕巷道冒頂，避免不必要的翻修、補強。

2　巷道頂板層次支護方法

2.1　淺部層位破碎頂板控制

巷道淺部頂板受塑性區(qū)圍巖膨脹、變形的影響，其最典型的特征就是破碎程度較大，因此，巷道淺部頂板圍巖的控制關鍵在于足夠的錨桿支護密度防止頂板小型冒頂，并配以合適的輔助材料防止破碎巖塊掉落。具體支護設計時，輔助支護材料應能將破碎的頂板“兜吊”住，主要防止0.5 m范圍內表層頂板碎巖掉落，高密度普通長度錨桿控制1.5～2.0 m范圍內的淺部頂板小型冒頂與局部漏頂。

2.2　中部層位塑性區(qū)頂板控制

當巷道頂板塑性區(qū)呈蝶葉形態(tài)時，其頂板破壞深度與變形普遍較大，普通短錨桿由于長度限制，不能錨固到塑性區(qū)以外的穩(wěn)定巖層，無法對塑性區(qū)圍巖進行整體控制，而常規(guī)錨索雖然長度可設，但是延伸性能較差(延伸率僅為3%左右)，無法適應巷道頂板蝶葉塑性區(qū)形成所伴隨的大變形。因此，這種中部層位頂板蝶葉塑性區(qū)圍巖是此類巷道冒頂控制的核心，需要科學經濟的支護強度與針對性的支護形式。

2.2.1頂板變形破壞與支護強度的關系

非等壓應力環(huán)境下頂板變形破壞與支護強度的關系計算極為復雜，為了說明一般規(guī)律，利用經典的理想彈塑性分析模型進行簡要分析。巷道圍巖塑性區(qū)半徑與支護強度的關系為[15]：

(1)

巷道圍巖位移與支護強度的關系為：

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：φ為巷道圍巖力學參數包括圍巖內摩擦角，(°)；C為圍巖的黏聚力，MPa；E為彈性模量，GPa；σc為單軸抗壓強度，MPa；η為擴容梯度；P0為巷道圍巖應力環(huán)境參數包括原巖應力，MPa；Pi為支護阻力；μ為泊松比；up為巷道圍巖位移；K為側壓系數；R為巷道圍巖塑性區(qū)半徑；B0為支護強度；R0為圓形巷道半徑。

由公式(1)和公式(2)可繪出圍巖塑性區(qū)半徑、變形量隨支護強度的變化曲線，如圖3所示，現有支護強度水平范圍內，圍巖的變形可控性不強，以圍巖變形量計算為例，支護強度從0.2 MPa升至0.8 MPa，圍巖變形量僅降低5%～15%。

因此，對于中部層位塑性區(qū)頂板控制，采用高強支護強力控制是很難實現的。圖4神東煤炭公司保德礦(該礦主采8#煤層，埋深400 m左右)81306一號回風順槽、二號回風順槽現場照片，這2條巷道經受2次采動影響，受采動影響后，即便巷道支護大量采用高強錨索，強度達到了0.67 MPa，平均支護成本超過6 000元/m，巷道頂板依然下沉較大，平均頂板下沉量達到500 mm以上，支護維護困難。

(r=2.5 m; E=4 000 MPa; σc=40 MPa;μ=0.15; c=4.0 MPa; φ=25°; η=2)圖3　支護強度與圍巖變形破壞的關系曲線Fig.3　Curves of roadway deformation vs support capacity

圖4　保德礦工作面回采巷道礦壓顯現劇烈Fig. 4　The acute strata behaviors in mining face roadway of Baode Coal Mine

2.2.2中部層位頂板控制原理與技術

以上理論分析與現場試驗表明，這種巷道頂板蝶葉塑性區(qū)破壞以及破壞過程中產生的變形可控性較差，高強度支護手段控制頂板變形效果不明顯。因此這種巷道中部頂板控制對支護體有特殊要求，一方面巷道中部層位頂板塑性區(qū)尺寸較大，塑性破壞深度可達3～4 m，需要長度達到4～5 m的支護材料；另一方面巷道頂板變形量都很大，一般都在300 mm以上，需要一種與圍巖大變形特征相適應的具有高延伸性能的支護材料，在圍巖變形過程中不破斷，并持續(xù)提供較高的支護強度，避免圍巖塑性區(qū)惡性擴展。

據此，采用接長錨桿支護技術進行中部層位頂板塑性區(qū)圍巖的穩(wěn)定性控制。接長錨桿[4-5,16]采用圖5所示內螺紋連接結構，在敦粗部位的桿體進行內螺紋加工操作，配合強度遠大于本身強度的絲柱連接，使得錨桿整體處于等強狀態(tài)，同時便于安裝，呈現較好的支護適應性。

圖5　接長錨桿專用接頭Fig.5　Special joint of lengthening bolt

圖6為接長錨桿實驗室和井下巷道的拉伸試驗結果[16]，φ20×5 000 mm接長錨桿、φ17.8×5 000 mm錨索2種支護材料的實驗室延伸試驗結果試驗結果顯示，5 000 mm的φ17.8錨索的延伸率為3.24%，5000 mm的φ20接長錨桿延伸率為16.14%，為錨索的將近5倍，其最大延伸長度將達到807 mm，且錨桿拉伸過程中，支護力穩(wěn)定在150～170 kN。采用大量程錨桿拉拔機進行井下拉伸φ20×5 000 mm接長錨桿試驗，與實驗室拉拔結果基本相同?？梢酝茢?，接長錨桿可很好地與圍巖協(xié)調變形，進而有效維持頂板蝶葉塑性區(qū)圍巖穩(wěn)定。

圖6　錨索與接長錨桿拉伸試驗曲線Fig.6　Tensile test curves of cable bolt and lengthening bolt

2.3　異常區(qū)深部層位頂板控制

當巷道處于斷層破碎帶、應力異常區(qū)、大型鍋底矸等圍巖異常變化區(qū)域時，其頂板破壞范圍將難以確定，極易出現頂板的大范圍垮塌隱患，需采用更長的支護材料加以控制，且這種垮塌隱患一般在巷道掘進時就顯現出來，如圖7所示。這種頂板大范圍垮塌的可能性很小，但是具有較高的隱蔽性，現在很難及時采用有效的針對性措施。此時頂板破碎可認為處于散碎巖體狀態(tài)，根據自然冒落拱理論，錨索錨固范圍不足以控制冒落拱區(qū)域破碎巖石時，則會出現深部層位頂板大范圍垮塌的隱患，此時：

(5)

b=a+H·tanθ

(6)

(7)

式中:l2為錨桿(索)的有效長度，m；h0為普氏冒落拱高度，m；H為巷道高度，m；a為巷道半徑，m；b為冒落拱滑動楔形半寬，m；θ為冒落拱滑動楔形角度；θf為巖(煤)體的內摩擦角；k為安全系數。

錨索支護力不足以懸吊冒落拱區(qū)域破碎巖石重量時，亦會出現頂板大范圍垮塌的隱患，此時：

(8)

式中:P為錨索的支護強度，MPa；N為錨索承載力，kN；S1，S2為錨索間距、排距，m；γ為巖石容重，kN/m3。

圖7　巷道掘進時深部層位頂板異常區(qū)控制示意Fig.7　Schematic of anomalous area control of deeplayer roof with the roadway driving

為了避免深部層位頂板大面積垮塌的情況出現，就要保證有較大的支護力和錨固范圍，而這最有效的途徑就是利用高強度長錨索進行控制。在圍巖大變形條件下，錨索錨固失效前，其足夠的支護力也可對塑性區(qū)圍巖再次加強支護，同時，長錨索施工應盡量緊跟掘進工作面進行，按照懸吊理論以及公式(5)～(8)所屬的失穩(wěn)條件，要實現避免深部層位頂板大面積垮塌，需滿足以下條件：

(9)

(10)

綜合以上分析，形成了以冒頂控制為主的蝶葉塑性區(qū)巷道層次支護方法：輔助支護材料防止0.5 m范圍內表層頂板碎巖掉落；普通長度錨桿采用較高密度布置控制1.5～2.0 m范圍內淺部頂板危巖掉落；接長錨桿維護3.0～4.0 m范圍內蝶葉塑性區(qū)內圍巖整體穩(wěn)定，避免塑性區(qū)圍巖惡性失穩(wěn)；掘進時第一時間采用長錨索控制頂板大面積失穩(wěn)垮塌，同時蝶葉塑性區(qū)內圍巖形成再次補強。圖8為巷道頂板層次支護原理示意圖。

圖8　蝶葉塑性區(qū)巷道頂板層次支護原理示意Fig.8　Schematic of multi-level support of roadway in partial high stress environment

3　現場試驗

3.1　試驗巷道頂板結構與蝶葉塑性破壞形態(tài)

現場試驗選取保德礦81306工作面一號、二號回風順槽進行，由于該礦回采巷道為“三巷布置”，一號回風順槽距離工作面42 m，二號回風順槽距離工作面25 m，2條回風順槽均受2次采動影響。2條巷道埋深400 m左右，其頂板存在一定厚度的頂煤，位于頂煤之上的泥巖薄層和砂質泥巖的厚度為4～7 m。

釆動影響期間，巷道周邊圍巖會出現較大程度的應力集中現象，致使巷道周邊圍巖雙向壓力比值較大，呈現典型的雙向不等壓應力環(huán)境特點，且主應力方向勢必發(fā)生偏轉，保德礦81306工作面一號、二號回風順槽圍巖塑性區(qū)勢必出現蝶葉方向朝向頂板上方的蝶葉分布，圖9為81305二號回風順槽通過鉆孔窺視所得的頂板塑性破壞區(qū)實測結果，由于巷道圍巖為層狀巖體結構，其塑性區(qū)形態(tài)為不規(guī)則蝶葉形，頂板破裂區(qū)主要分布在煤層內部與煤層上部的泥巖層2個區(qū)域內，最大破壞深度發(fā)生距離負幫側約1.2 m的頂板中部，達到4 318 mm。

圖9　81305二號回風順槽頂板塑性破壞區(qū)實測結果Fig.9　Test results of roof plastic damage zone in No.2 tailgate of 81305 tailgate

3.2　試驗方案與支護參數設計與應用效果

試驗巷道層次支護方案如表1所示，巷道掘進期間，支護參數為：2根φ17.8×6 500 mm錨索/m和4根φ20×2 200 mm錨桿/m，輔助材料選擇1 200×4 700 mm鋼筋骨架鉛絲網。根據頂板塑性破壞深度實測結果，巷道最大塑性區(qū)破壞深度達到4.3 m，釆動影響前，巷道頂板補打4根φ20×5 000 mm長錨桿，以控制塑性區(qū)內圍巖的冒落。試驗巷道長度200 m，分2段布置，每段100 m，2段試驗巷道間隔200 m。

在巷道一次釆動之后、二次釆動之前、頂板變形趨于穩(wěn)定時，對變形量較大的81306二號回風順槽進行了巷道頂板下沉量統(tǒng)計，如圖10所示，頂板的最大下沉量為1 200 mm，最小下沉量為200 mm，平均下沉量為630 mm。

表1　試驗巷道支護方案及參數Table 1　Supporting programs and parameters in test roadway

圖10　試驗巷道頂板下沉監(jiān)測統(tǒng)計Fig.10　Monitor statistics of roof subsidence in test roadway

為掌握接長錨桿的工作狀態(tài)，采用錨桿支護力監(jiān)測儀對接長錨桿試驗區(qū)段進行接長錨桿支護力監(jiān)測，在試驗段以相等間隔距離布設6組測站(每組測站設3個錨桿拉力傳感器)，由于每排有4根接長錨桿，3個錨桿拉力傳感器隨機監(jiān)測其中的3根，記錄接長錨桿在采動影響期間巷道頂板支護力情況，接長錨桿平均支護阻力統(tǒng)計結果如圖11所示。統(tǒng)計結果表明：接長錨桿達到了應有的工作狀態(tài)，統(tǒng)計接長錨桿破斷率僅為3%，呈現了較好的支護穩(wěn)定性。

圖11　試驗巷道接長錨桿支護力監(jiān)測統(tǒng)計Fig.11　Monitor statistics of lengthening support force in test roadway

工程試驗結果表明，采用接長錨桿這種可與頂板協(xié)調變形的支護技術，可持續(xù)提供較高支護阻力抑制巷道圍巖塑性區(qū)惡性擴展，以有效維護塑性區(qū)范圍內松動圍巖穩(wěn)定，防止巷道頂板蝶葉塑性區(qū)圍巖冒落，同時，輔助材料支護對表層頂板的控制、高密度短錨桿對淺部頂板的控制以及掘進期間長錨索(原支護Ф17.8 mm錨索)控制深部頂板大范圍垮塌的控制均是有效的，可以說以冒頂控制為主的蝶葉塑性區(qū)巷道頂板層次支護體系是可靠的。

4　結論

1)非等壓應力場環(huán)境下的巷道圍巖塑性區(qū)普遍具有蝶葉特征，其塑性區(qū)蝶葉一般會朝頂板偏轉，導致頂板破裂深度較大，頂板變形也相應劇烈，淺部頂板破碎程度亦較大，采用常規(guī)單一層次的頂板支護難以對冒頂進行有效控制，需要根據不同層位頂板的破壞特征進行針對性、多層次的支護，以維護巷道整體穩(wěn)定。

2)形成了以冒頂控制為主的蝶葉塑性區(qū)巷道頂板層次支護體系：輔助支護材料防止0.5 m范圍內表層頂板碎巖掉落；普通長度錨桿采用較高密度布置控制1.5～2.0 m范圍內淺部頂板危巖掉落；接長錨桿維護3.0～4.0 m范圍內蝶葉塑性區(qū)內圍巖整體穩(wěn)定，避免塑性區(qū)圍巖惡性失穩(wěn)；掘進時第一時間采用長錨索控制頂板大面積失穩(wěn)垮塌，同時蝶葉塑性區(qū)內圍巖形成再次控制。

3)保德礦回采巷道頂板下沉量與接長錨桿支護力監(jiān)測結果表明：頂板劇烈變形過程中，接長錨桿支護力穩(wěn)定且?guī)缀跷闯霈F破斷現象，有效維護了中部層位頂板蝶葉塑性區(qū)的穩(wěn)定，同時，掘進時期的輔助材料支護、普通錨桿支護、長錨索支護也有效保證了表層、淺部及深部層位頂板的穩(wěn)定，以冒頂控制為主的巷道頂板層次支護體系較好的保障了巷道頂板穩(wěn)定。

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