張 琪，楊 宵，喬博陽

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

許多專家學(xué)者對巷道圍巖破壞特征和支護(hù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了細(xì)致入微的研究[1-2]。康紅普等[3]提出煤巖體本身存在的結(jié)構(gòu)面控制著圍巖破壞特征，并且提出了利用鉆孔窺視儀進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)探測的方法。劉洪濤等[4]提出根據(jù)穩(wěn)定巖層層位的變化，劃分出運(yùn)輸巷道冒頂隱患級別。趙志強(qiáng)[5]首次提出蝶形塑性區(qū)的理論，并推導(dǎo)出了圓形巷道圍巖塑性區(qū)邊界方程。張明磊等[6]提出應(yīng)充分考慮到圍巖的自身結(jié)構(gòu)承載能力和錨桿的支護(hù)作用，利用其穩(wěn)定性判據(jù)來檢驗(yàn)錨桿支護(hù)巷道的穩(wěn)定性。王猛等[7]研究認(rèn)為，主應(yīng)力變化對深部巷道圍巖變形破壞特征的影響在巷道支護(hù)中非常必要的。

以錦界煤礦3-1煤層為例，巷道頂板的完整性和離層現(xiàn)象在一次采動(dòng)影響下具有很大的差異。為此采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究，以巷道圍巖主應(yīng)力作為切入點(diǎn)，通過將主應(yīng)力大小和方向相結(jié)合進(jìn)行研究，從而判斷出主應(yīng)力大小和方向?qū)ο锏绹鷰r破壞形態(tài)和范圍的影響，提出合理的支護(hù)優(yōu)化方案，為分析同類巷道支護(hù)方式以及類似巷道圍巖破壞現(xiàn)象提供借鑒。

1 工程概況

錦界煤礦位于榆神礦區(qū)東北部，地處陜西省榆林市神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)和麻家塔鄉(xiāng)境內(nèi)，錦界礦3-1煤是井田內(nèi)3層主采煤層之一，埋深一般為70～120 m，傾角1°左右。3-1煤頂板為粉砂巖、細(xì)粒砂巖，抗壓 強(qiáng) 度 為 27.4～37.2 MPa， 天 然 含 水 率 1.48%～2.12%，軟化系數(shù) 0.22～0.66，底板為粉砂巖、細(xì)粒砂巖，抗壓強(qiáng)度為 37.4～45.3 MPa，天然含水率 0.45%～1.4%，軟化系數(shù) 0.32～0.48。巷道圍巖屬于中等穩(wěn)定性巖層。

93402回風(fēng)巷道為矩形巷道，寬5.4 m，高2.9 m，巷道斷面積15.95 m2。巷道采用沿底留頂煤掘進(jìn)方式，巷道高度不夠時(shí)進(jìn)行拉底，保證巷道高度不低于2.95 m。巷道采用樹脂錨桿+金屬網(wǎng)片+錨索聯(lián)合支護(hù)工藝，錨桿規(guī)格選用φ16 mm×2 100 mm圓鋼一次性緊固錨桿，其中錨桿布置為矩形，間排距1.0 m。錨索排距為3 m，間距為2.5 m，每排2根。93402回風(fēng)巷原始支護(hù)參數(shù)如圖1。

圖1 93402回風(fēng)巷原始支護(hù)參數(shù)

2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征分析

2.1 頂板結(jié)構(gòu)與變形特征

巷道頂板巖層情況和變性特征將直接影響回風(fēng)巷錨桿錨索支護(hù)情況，通過多組巖層鉆孔窺視儀的攝錄結(jié)果比較可知，巷道頂板巖層較穩(wěn)定，巖層厚度偏大，且各層位頂板厚度變化也較為明顯，頂板總體穩(wěn)定性較好。頂板鉆孔攝錄如圖2。

圖2 93402回風(fēng)巷頂板鉆孔攝錄結(jié)果

巷道頂板窺視結(jié)果顯示，頂煤厚度不大，厚度在0.2～0.4 m之間。各個(gè)聯(lián)巷測點(diǎn)頂煤上方均為細(xì)粒砂巖，巷道頂板巖性單一無變化，頂板巖層結(jié)合較為簡單，且聯(lián)巷頂板裂隙較少，頂板完整性好。

2.2 松動(dòng)圈測試

回采巷道開挖后，煤巖體原始應(yīng)力平衡被打破，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，進(jìn)而圍巖部分區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)其應(yīng)力大于煤體的極限應(yīng)力時(shí)，巷道周邊一定范圍的煤體就會(huì)發(fā)生變形破壞，此范圍的應(yīng)力會(huì)有所降低，應(yīng)力得到釋放，圍巖將破碎產(chǎn)生裂隙從而形成松動(dòng)圈[8]。為了探索巷道圍巖破壞情況，由此進(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測試。本次松動(dòng)圈測試共布置6個(gè)測點(diǎn)，測試布置如圖3。

圖3 93402回風(fēng)巷松動(dòng)圈測試布置圖

由此分別在巷道的兩幫腰線位置，鉆頭直徑42 mm，測量鉆孔采用煤電鉆打孔，鉆孔方位保持向下傾斜3°～5°。測點(diǎn)布置在掘進(jìn)工作面后方20 m左右，每隔10 m布置1個(gè)測試點(diǎn)。各測孔松動(dòng)圈測試結(jié)果如圖4～圖5。

圖4 煤壁幫測孔聲波圖

由圖4煤壁幫測孔聲波折線圖可以清楚的發(fā)現(xiàn)，以20 m處煤壁幫測孔為例，距離孔口0.5 m左右范圍內(nèi)，測試聲波波速較小且平穩(wěn)，表明巷道圍巖破碎嚴(yán)重，圍巖處于塑性狀態(tài)，而距孔口0.5 m之后，波速呈臺階式急速增長，隨之保持平穩(wěn)狀態(tài)波動(dòng)，巷道圍巖進(jìn)入彈性狀態(tài)。距掘進(jìn)工作面80 m處，煤壁幫測孔距離孔口1.0 m范圍之內(nèi)，測試聲波波速較小且平穩(wěn)，巷道破碎嚴(yán)重，圍巖處于塑性狀態(tài)，而距孔口1.0 m之后，波速呈臺階式急速增長，隨之保持平穩(wěn)狀態(tài)波動(dòng)，但其波速小于其他測點(diǎn)。其他各處測孔波速呈現(xiàn)相似的規(guī)律?？傮w來講，距巷道表面距離越小，受采動(dòng)影響越大，圍巖較破碎。

圖5 煤柱幫測孔聲波

由圖5煤柱幫測孔聲波折線圖可以清楚的發(fā)現(xiàn)，煤柱幫聲波波速變化和煤壁幫有著相似的變化規(guī)律。以20 m處煤壁幫測孔為例，距離孔口0.5 m左右范圍內(nèi)，測試聲波波速較小且平穩(wěn)，表明巷道圍巖破碎嚴(yán)重，圍巖處于塑性狀態(tài)，而距孔口0.5 m之后，波速呈臺階式急速增長，隨之保持平穩(wěn)狀態(tài)波動(dòng)，巷道圍巖進(jìn)入彈性狀態(tài)。距掘進(jìn)工作面80 m處，煤柱幫測孔距離孔口1.0 m范圍之內(nèi)，測試聲波波速較小且平穩(wěn)，巷道破碎嚴(yán)重，圍巖處于塑性狀態(tài)，而距孔口1.0 m之后，波速呈臺階式急速增長，隨之保持平穩(wěn)狀態(tài)波動(dòng)，但其波速小于其他測點(diǎn)，其他各處測孔波速呈現(xiàn)相似的規(guī)律?？傮w來講，距離巷道表面距離越小，受工作面采動(dòng)影響越大，圍巖破壞相對嚴(yán)重。

兩幫松動(dòng)圈大小隨距工作面變化趨勢如圖6。由圖6分析可知，回風(fēng)巷兩幫圍巖的松動(dòng)圈范圍隨工作面采動(dòng)而變化，距離工作面后方20 m處，回風(fēng)巷煤壁幫和煤柱幫松動(dòng)范圍為0.4 m，隨著工作面向前推進(jìn)，距離工作面后方越遠(yuǎn)，煤柱受力破壞相對較大，巷道圍巖松動(dòng)圈范圍有逐漸增大的趨勢。另外，煤柱幫一側(cè)圍巖比煤壁幫一側(cè)圍巖受采動(dòng)影響破壞更嚴(yán)重。

3 巷道圍巖應(yīng)力與破壞特征

3.1 模型的建立

以錦界礦93402回風(fēng)巷道為理論計(jì)算模型，93402回風(fēng)巷道位于3－1煤層之中，煤層平均厚度3.50 m。頂板依次順序?yàn)椋悍凵皫r平均厚度 1.6 m，細(xì)砂巖平均厚度6.0 m。底板依次順序?yàn)椋耗鄮r厚度0.21 m，粉砂巖厚度 2.86 m，細(xì)粒砂巖厚度 12.65 m。各巖層的力學(xué)參數(shù)見表1。

圖6 兩幫松動(dòng)圈大小隨距工作面變化趨勢

此巷道的開挖與支護(hù)實(shí)際上屬于三維問題，為了計(jì)算同一斷面的開挖和巷道優(yōu)化支護(hù)方案，而且為解決問題和計(jì)算上的方便，將此計(jì)算近似為平面應(yīng)變問題，因此，采用FLAC3D進(jìn)行計(jì)算。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

建立93402回風(fēng)巷道受采動(dòng)影響時(shí)Mohr－Coulomb本構(gòu)模型，尺寸 330 m×600 m×110 m，為研究巷道頂板破壞特征和進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，回采工作面模型圖如圖7。計(jì)算模型的左右側(cè)和底部取位移邊界，而上部取應(yīng)力邊界，其應(yīng)力為上部覆巖的自重應(yīng)力，即ρh，其中ρ為上覆巖層平均密度，h為計(jì)算模型上邊界地表的平均距離。根據(jù)實(shí)際圍巖介質(zhì)，取 ρ＝2 500 kg/m3，h＝80 m，由此可以計(jì)算出上邊界的應(yīng)力為2.0 MPa。

通過對93401工作面進(jìn)行開采，研究該工作面開采時(shí)對93402回風(fēng)巷受采動(dòng)應(yīng)力時(shí)的影響，得出巷道軸線方向上最大主應(yīng)力8.2 MPa。建立尺寸為50 m×3 m×50 m的模型，將上述研究過程中得出的巷道軸線方向上最大主應(yīng)力施加在該模型的上部邊界上，其余邊界條件與93401回采工作面模型一致。93401工作面開采之后，93402回風(fēng)巷道受采動(dòng)應(yīng)力影響，巷道圍巖應(yīng)力云分布如圖8，巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)，主應(yīng)力方向如圖9。

圖7 回采工作面模型圖

圖8 93402回風(fēng)巷受力分布

圖9 主應(yīng)力方向圖

為研究93402回風(fēng)巷道主應(yīng)力大小受93401工作面受采動(dòng)影響時(shí)的規(guī)律，通過建立模型模擬工作面距開切眼30 m處推進(jìn)370 m，從93402回風(fēng)巷提取的最大、最小主應(yīng)力如圖10。無論是最大主應(yīng)力或是最小主應(yīng)力，應(yīng)力曲線在工作面后方都會(huì)以單峰值的形式呈現(xiàn)，這個(gè)峰值位置在距工作面后方185 m處；而工作面超前范圍內(nèi)主應(yīng)力大小則減小了很多，表明回風(fēng)巷超前范圍內(nèi)受采動(dòng)應(yīng)力影響很小，回風(fēng)巷變形較小。

圖10 主應(yīng)力規(guī)律

主應(yīng)力比值如圖11，主應(yīng)力比值曲線變化分布規(guī)律與最大主應(yīng)力曲線變化規(guī)律基本相同，隨著主應(yīng)力大小的變化，比值隨之變化。工作面后方200～400 m范圍內(nèi)，巷道圍巖圍壓比逐漸增大，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力也逐漸增大；比值峰值和主應(yīng)力峰值出現(xiàn)點(diǎn)相同，距工作面0～200 m范圍內(nèi)比值逐漸減小，表明主應(yīng)力此時(shí)也減小。而工作面超前200 m范圍內(nèi)比值逐漸下降至原巖應(yīng)力主應(yīng)力比值。

3.2 93402回風(fēng)巷圍巖破壞分析

圖11 主應(yīng)力比值

回風(fēng)巷受上一工作面采動(dòng)圍巖應(yīng)力大小影響會(huì)產(chǎn)生圍巖塑性區(qū)的變化。運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算出的93402回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)如圖12。

圖12 巷道圍巖塑性區(qū)

模擬結(jié)果顯示，巷道受采動(dòng)影響不大，巷道頂?shù)装鍑鷰r完整性較好，兩幫圍巖塑性區(qū)最大深度1 m，與圍巖松動(dòng)圈測試結(jié)果顯示一致。巷道圍巖破壞范圍不大，由此可對巷道原有支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化提供理論支持。

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

4.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

巷道圍巖松動(dòng)圈測試和FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果可以真實(shí)反映出93402回風(fēng)巷圍巖破壞情況，由于巷道頂?shù)装宓耐暾暂^好，兩幫圍巖塑性區(qū)范圍不大，巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅應(yīng)考慮巷道穩(wěn)定性要求[9-11]，還要綜合考慮掘進(jìn)速度和支護(hù)成本[12-13]。根據(jù)以上理論對原有支護(hù)參數(shù)提出如下優(yōu)化方案。

1）巷道頂板采用φ16 mm×2 100 mm緊固性錨桿支護(hù)，錨桿間距1 200 mm×1 000 mm，頂板不掛網(wǎng)；矩形布置方式，每根錨桿使用1根CK2350型錨固劑；兩幫掛塑料網(wǎng)支護(hù)。

2）巷道頂板采用 φ15.24 mm×6 500 mm 錨索支護(hù)，錨索間距3 000 mm，每根錨索使用3根CK2350型錨固劑。

3）幫網(wǎng)施工由原來的鐵絲網(wǎng)優(yōu)化為塑料網(wǎng)，錨桿由原來的2套/m、矩形布置優(yōu)化為現(xiàn)在的2套/1.5 m、三花布置，并取消了煤巷帶木托盤底錨桿的使用。

與原有支護(hù)參數(shù)比較，優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)使得錨固支護(hù)技術(shù)更加合理，既大大節(jié)約了錨桿量，降低了材料消耗，又最大限度地發(fā)揮了錨桿的錨固作用和圍巖的自承能力，達(dá)到了支護(hù)-圍巖共同承載的目的，既維護(hù)了巷道的安全穩(wěn)定，也充分利用了錨桿的承載能力。

4.2 錨桿錨索受力監(jiān)測

錨桿錨索受力監(jiān)測結(jié)果，錨桿錨索受力監(jiān)測結(jié)果可真實(shí)反映出巷道圍巖錨桿錨索的工程情況，了解錨桿錨索實(shí)時(shí)工作情況。用錨桿測力儀監(jiān)測錨桿的承載力，判定錨桿的承載情況，進(jìn)而可對錨桿支護(hù)效果進(jìn)行測試。選取部分錨桿進(jìn)行監(jiān)測，錨桿錨索受力監(jiān)測布置如圖13。

實(shí)驗(yàn)在93402回風(fēng)巷道距93401工作面分別為100、200、300 m處巷道頂板中央安裝1組錨桿測力計(jì)監(jiān)測錨桿錨索受力情況，受力監(jiān)測見表2。

圖13 錨桿錨索受力監(jiān)測圖

在監(jiān)測期限內(nèi)，從表2中數(shù)據(jù)可以看出，錨桿初始錨固力大小情況為：93402回風(fēng)巷道工作錨桿受力和錨索受力為35、68 kN。進(jìn)一步采動(dòng)受壓變化，錨桿和錨索最大受力達(dá)35 kN和68 kN，錨桿和錨索最終受力趨勢穩(wěn)定，達(dá)12 kN和32 kN。錨桿錨索并未出現(xiàn)繃斷的現(xiàn)象。

表2 錦界礦93402回風(fēng)巷道錨桿錨索監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1）93402回風(fēng)巷受工作面開挖一次擾動(dòng)影響，巷道圍巖變形，出現(xiàn)塑性區(qū)。巷道圍巖頂板完整性較好，兩幫變形量不大。

2）由獲取的主應(yīng)力曲線可知：回風(fēng)巷受一次采動(dòng)影響，主應(yīng)力曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且主應(yīng)力大小最大值點(diǎn)出現(xiàn)在滯后影響階段。

3）結(jié)合數(shù)值模擬滯后影響階段研究可知：主應(yīng)力大小和方向決定了巷道圍巖的破壞形態(tài)，主應(yīng)力比值決定了塑性區(qū)擴(kuò)展范圍。

4）巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，為保證支護(hù)質(zhì)量，經(jīng)過錨桿錨索受力監(jiān)測試驗(yàn)，并未出現(xiàn)錨桿與錨索繃斷現(xiàn)象的發(fā)生，試驗(yàn)結(jié)果良好。