金淳哲 信長(zhǎng)昊 陳 龍

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)深地資源開采逐漸進(jìn)入攻堅(jiān)階段，由于高地應(yīng)力作用，導(dǎo)致煤層開采面臨諸多問(wèn)題，而最直接的，就是在開采過(guò)程中，沿空留巷的變形失穩(wěn)問(wèn)題，該問(wèn)題是諸多煤礦面臨的主要技術(shù)問(wèn)題[1]。在巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理研究方面，何滿潮等[2]提出了深部巷道復(fù)合型軟巖的復(fù)合破壞機(jī)制。夏才初等[3]通過(guò)對(duì)深埋大理巖進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，提出了節(jié)理峰值剪切位移變化特征，分析了深部硐室在開挖后圍巖的破壞機(jī)制。汪成兵[4]對(duì)深部開采條件下的巷道圍巖破壞機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出了深部圍巖的破壞模式和損傷機(jī)理。P.Oreste等[5]針對(duì)不同類型圍巖破壞特征和圍巖壓力分布規(guī)律，提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線的分布特征。L.R.Alejano等[6]分析了不同圍巖等級(jí)的圍巖強(qiáng)度劣化特征規(guī)律，得出了深部軟弱節(jié)理巖體的應(yīng)變軟化條件下的圍巖特征曲線。C.GONZALEZ等[7]采用數(shù)值模擬手段對(duì)深部的軟巖巷道在不同埋深的圍巖—支護(hù)作用進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算得到了非圓形巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。李夕兵等[8]對(duì)深部回采擾動(dòng)巖體的破裂規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的分析，獲得了巖體在沖擊載荷作用下硬巖層裂破壞理論的新成果。曹平[9]等針對(duì)深部圍巖力學(xué)特性，分別研究了深部圍巖在水巖作用、沖擊和剪切條件下的裂紋的形成和擴(kuò)展規(guī)律。Young-Jin Shin等[10]得出了深部開采條件下圍巖在滲流力作用下的破壞特征曲線，并提出了切實(shí)可行的支護(hù)方法。GUNTER G等[11]對(duì)以往收斂—約束法的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并提出了深部巖體在高應(yīng)力條件下的支護(hù)材料強(qiáng)度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集工作面的巖樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，獲得軟巖巖樣的基本物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)巖樣的力學(xué)特征和沿空留巷的受力特點(diǎn)，提出了具有針對(duì)性的沿空留巷的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，基于有限差分方法計(jì)算不同支護(hù)條件下及不同開采強(qiáng)度下的沿空留巷圍巖變形破壞特征，深入分析圍巖的破壞機(jī)理及規(guī)律。

2 沿空巷道圍巖力學(xué)參數(shù)研究

巖石試樣選取自單侯礦第一工作面，其中包括煤巖、泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖等，巖塊質(zhì)地均勻，其中煤巖表現(xiàn)出明顯的脆性，而泥巖呈灰白色，質(zhì)地均勻，砂巖的硬度較小，與泥質(zhì)砂巖的強(qiáng)度類似，巖樣的吸水率及含水率較高。將巖塊加工成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱型試樣，通過(guò)分別對(duì)煤巖及泥巖、砂巖等巖石進(jìn)行巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分別獲得巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并通過(guò)擬合方法獲得巖樣的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

3 沿空巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

采動(dòng)影響下的頂板潛在威脅為拱頂?shù)乃?，支護(hù)設(shè)計(jì)采用的支護(hù)方法主要為錨索+錨桿，再配合菱形金屬網(wǎng)+縱向W型鋼帶進(jìn)行支護(hù)。該支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是能夠?qū)㈠^桿、錨索和鋼帶進(jìn)行有效的聯(lián)立，達(dá)到理想的耦合支護(hù)效果，可以很好的控制工程中的圍巖大變形及失穩(wěn)破壞。

4 沿空巷道圍巖破壞數(shù)值模擬研究

4.1 模型建立

根據(jù)已知的工程地質(zhì)條件及實(shí)驗(yàn)獲得的上覆巖層力學(xué)參數(shù)，結(jié)合上覆巖層巖性特點(diǎn)建立采動(dòng)影響下沿空留巷道數(shù)值計(jì)算模型，以及工作面回采數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。其中數(shù)值計(jì)算采用的本構(gòu)模型為摩爾—庫(kù)侖模型，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

4.2 數(shù)值計(jì)算方案

數(shù)值計(jì)算的具體模擬內(nèi)容：首先是采動(dòng)影響條件下的巷道變形特征，包括各支護(hù)方案下巷道的位移、圍巖應(yīng)力分布狀況、水平與垂直的應(yīng)力分布特征，以及工作面回采時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中和超前支承應(yīng)力。本文分別設(shè)計(jì)了四種方案：支護(hù)方案一為無(wú)支護(hù)狀態(tài)；支護(hù)方案二為采用錨桿和金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿采用φ20×2 100 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿的布置按照梅花形布置，其中間排距為0.8 m×0.8 m，錨桿的布設(shè)過(guò)程中還架設(shè)鋼帶，巷道頂部和兩幫為金屬網(wǎng)；支護(hù)方案三為錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式，其中頂部的錨桿采用φ20×2 200 mm螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿采用φ18×2 000 mm螺紋鋼錨桿，錨桿的布置按照梅花形布置，其中間排距0.8 m×0.8 m，錨桿的布設(shè)過(guò)程中還架設(shè)鋼帶，巷道頂部和兩幫為金屬網(wǎng)。錨索支護(hù)采用φ15.24×7 000 mm錨索頂板中間按照單排布置，間距1.5 m；支護(hù)方案四為錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索的聯(lián)合支護(hù)方案，中頂部的錨桿采用φ20×2 200 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿的布置按照梅花形布置，其中間排距0.8 m×0.8 m，錨桿的布設(shè)過(guò)程中還架設(shè)鋼帶，巷道頂部為金屬網(wǎng)。兩幫錨桿采用φ18×2 000 mm圓鋼錨桿，鐵板托盤，間排距0.9 m×0.9 m，幫網(wǎng)采用塑料網(wǎng)。巷道頂部的錨索采用三花型布置，錨索的尺寸為φ15.0×7 000 mm，間距3.5 m，排距2.5 m。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

由數(shù)值模擬得到未擾動(dòng)巷道開挖后垂直方向位移和應(yīng)力分布圖，如圖2和圖3所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，回采巷道在開挖后，巷道的頂?shù)装逦恢煤蛢蓭臀恢猛耆冃危渲许敯逑鲁亮窟^(guò)大，在采用第一種支護(hù)方案，即單獨(dú)使用錨桿支護(hù)以后，頂板的下沉量得到了明顯的控制，通過(guò)采用第二種方案，采用錨索進(jìn)行加固巷道圍巖后，頂板的最大位移量也明顯減少。同時(shí)，在采動(dòng)條件下有預(yù)留煤柱時(shí)巷道在不同支護(hù)類型下的x，z方向位移分布圖中，可知當(dāng)回采巷道在沒(méi)有任何支護(hù)的條件下，計(jì)算中預(yù)留的煤柱寬度為5 m，此時(shí)受相鄰工作面回采的影響，沿空留巷道圍巖的右?guī)妥冃瘟枯^大，計(jì)算結(jié)果顯示巷道周邊產(chǎn)生的位移矢量都指向巷道的中心位置。而隨著回采工作面的繼續(xù)推進(jìn)，在距離巷道較近的位置，雖然采空區(qū)頂板出現(xiàn)了大面積的下沉情況，巷道的頂板產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，但巷道底板沒(méi)有出現(xiàn)明顯的底鼓現(xiàn)象，回采對(duì)兩幫影響不大。當(dāng)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)后，巷道的頂板下沉量和兩幫的收斂量都得到了明顯的控制。在回采影響下巷道的圍巖被完全破壞，由于產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致巷道圍巖向內(nèi)擠壓，這種突如其來(lái)的應(yīng)力重新分布使得沿空留巷道圍巖內(nèi)的變形和應(yīng)力得到釋放，并且隨著距離左幫7 m左右達(dá)到應(yīng)力的最大值21 MPa，距離巷道右?guī)?.0 m位置達(dá)到了應(yīng)力的最大值31 MPa，沿空留巷道水平應(yīng)力逐漸減小。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集工作面的巖樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，獲得巖樣的基本物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)巖樣的力學(xué)特征和沿空留巷的受力特點(diǎn)，提出了具有針對(duì)性的沿空留巷的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，其中主要采用錨桿和錨索共同提供支護(hù)強(qiáng)度的作用。

2)基于有限差分方法計(jì)算不同支護(hù)條件下及不同開采強(qiáng)度下的沿空留巷圍巖變形破壞特征，計(jì)算得到了圍巖的破壞機(jī)理及規(guī)律。