王 鑫

（霍州煤電集團(tuán)團(tuán)柏煤礦，山西 霍州 031400）

1 工作面概況

某礦12301工作面位于123盤區(qū)，北面為12303工作面，南面為12109工作面采空區(qū)，西面為123盤區(qū)邊界。工作面主采2#煤層，煤層厚度5.8～6.3m，平均為6.15m，屬于近水平煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含1～2層炭質(zhì)泥巖、泥巖夾矸。在受構(gòu)造影響地段煤層厚度變化較大。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

根據(jù)12301工作面實(shí)際揭露資料，在12301切眼處揭露f301-1 H=0.6m∠65°斷層，該斷層對工作面回采影響不大。12301工作面長度為260m，推進(jìn)長度為1321m。

2 巷道支護(hù)分析

2.1 理論研究

12301工作面2#煤層回采巷道的突出特點(diǎn)是其頂板較硬、強(qiáng)度高、厚度大、整體性好。根據(jù)該礦2#煤頂?shù)装遒x存特點(diǎn)，故將巷道的力學(xué)模型簡化為平面固支或者簡支的深梁模型，模型受力狀態(tài)為兩端約束，上覆巖層視為均布荷載，均勻的作用在深梁結(jié)構(gòu)上，如圖1為固支梁模型。

圖1 巷道頂板的固支梁模型

對于通常的長梁，可以采用材料力學(xué)解答進(jìn)行求解，但是對于較深的梁，則需要考慮修正項(xiàng)[1]。因此選用固支邊界條件下梁內(nèi)應(yīng)力分量的彈性力學(xué)表達(dá)式進(jìn)行求解。

考慮到一般長梁結(jié)構(gòu)的斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)處于梁長度尺寸的中間靠下邊界位置，可以根據(jù)一般長梁最易破斷位置應(yīng)力特點(diǎn)，對深梁結(jié)構(gòu)斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)及極限厚度進(jìn)行計(jì)算[2～4]。由對稱性可知，梁的中間下邊界位置剪應(yīng)力為零，梁截面（0，h/2）處的水平拉應(yīng)力分量即為該位置的最大主應(yīng)力σ1，由此得到深梁結(jié)構(gòu)相應(yīng)位置處的拉應(yīng)力為：

根據(jù)材料的最大拉應(yīng)力強(qiáng)度理論可知，頂板不發(fā)生斷裂的安全厚度應(yīng)滿足下式[5]：

式中：[σt]為頂板巖層抗拉強(qiáng)度極限，灰?guī)r取4.2MPa。

代入計(jì)算，得到固支邊界條件下頂板極限厚度為：

類似于固支條件下深梁破斷特征的討論，簡支條件下深梁應(yīng)力分量彈性力學(xué)表達(dá)式為[6]：

簡支梁條件下頂板極限厚度為：

2#煤上覆頂板厚度平均為10.13m，直接頂不會(huì)發(fā)生拉裂，巷道可以對頂板進(jìn)行簡單支護(hù)或者不支護(hù)，也能保持巷道的穩(wěn)定。

2.2 模擬分析

利用數(shù)值模擬，分析、評價(jià)初步設(shè)計(jì)的支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)的可行性與可靠程度，進(jìn)行方案優(yōu)選。

1）模擬方案。采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件FLAC3D，將較長巷道作為平面應(yīng)變問題處理，建立薄板數(shù)值計(jì)算模型寬×高×厚=50 m×50 m×5m。模型底部限制節(jié)點(diǎn)全部位移，4個(gè)側(cè)面限制節(jié)點(diǎn)水平方向位移，上部施以p=γH的應(yīng)力。

堅(jiān)硬頂板條件下，頂板不同支護(hù)方式對巷道穩(wěn)定性的影響，支護(hù)方式分別為頂板無支護(hù)、錨索支護(hù)、錨網(wǎng)索支護(hù)，巷幫采用錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 不同支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)表

2）塑性區(qū)效果。頂板采用無支護(hù)、錨索支護(hù)、錨桿索支護(hù)時(shí)圍巖的塑性區(qū)分布如圖2所示。

圖2 圍巖塑性區(qū)分布圖

不同支護(hù)條件下的巷道開挖后，兩幫淺部均出現(xiàn)小范圍的拉破壞區(qū)域，其余都是壓減破壞。隨著支護(hù)強(qiáng)度的提高，頂板中塑性屈服區(qū)域逐漸減小，轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)。

3）巷道收斂變形效果頂板采用無支護(hù)、錨索支護(hù)、錨桿索支護(hù)時(shí)巷道收斂變形如圖3所示。

圖3 巷道收斂變形圖

由圖3可知，隨著支護(hù)強(qiáng)度的提高，巷道掘進(jìn)后頂板最大變形量逐漸減小，兩幫與底板位移也有小幅度減小。巷道頂板無支護(hù)條件下，頂板下沉量9.97mm，底臌量5.36mm，兩幫移近量16.78mm；頂板錨索支護(hù)條件下，頂板下沉量8.89mm，底臌量5.34mm，兩幫移近量16.31mm；錨桿索支護(hù)條件下，頂板下沉量6.87mm，底臌量5.32mm，兩幫移近量15.98mm。

綜合分析模擬結(jié)果，相比于頂板無支護(hù)的巷道，采用錨索支護(hù)和錨桿索支護(hù)，頂板塑性區(qū)范圍分別減小了18.2%和63.6%；頂板下沉量分別減少了10.8%和31.1%。由此可知，使用錨桿索支護(hù)對巷道穩(wěn)定性提升明顯，此類頂板可采用錨桿索支護(hù)。

3 支護(hù)方案與應(yīng)用監(jiān)測

3.1 支護(hù)方案

支護(hù)方案的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)因地制宜，12031工作面回采巷道頂板堅(jiān)硬強(qiáng)度高、厚度大、整體性好，且巷道設(shè)計(jì)斷面小，當(dāng)工作面回采巷道沿灰?guī)r頂板掘進(jìn)時(shí)，巷道的自穩(wěn)能力較強(qiáng)。對于頂板回采巷道，如果支護(hù)方案富裕系數(shù)過大，不僅增加成本，而且由于頂板難于鉆孔，將嚴(yán)重降低支護(hù)及掘進(jìn)效率；厚硬頂板巷道圍巖變形能主要由兩幫及底板釋放，如果頂板支護(hù)不當(dāng)，兩幫內(nèi)擠變形和底鼓嚴(yán)重，影響巷道正常使用，并可能最終導(dǎo)致巷道失穩(wěn)。工作面回采巷道的突出特點(diǎn)是其頂板強(qiáng)度高、厚度大、整體性好。針對這一特點(diǎn)，通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場情況，確定合理的支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)見表3。

表3 支護(hù)參數(shù)建議表

3.2 應(yīng)用監(jiān)測

巷道頂板離層通過在頂板相近位置布置長、短兩根錨索的方式進(jìn)行測量。具體方法為：先在頂板中線附近打設(shè)兩個(gè)錨索鉆孔，鉆孔深度為2.5m和5m，分別作為頂板離層監(jiān)測的淺基點(diǎn)和深基點(diǎn)；然后將2.5m和5m長的錨索放入鉆孔中錨固；最后，用強(qiáng)力粘結(jié)劑將鋼尺粘貼在錨索外端向外探出孔口，在孔口設(shè)置標(biāo)記用于讀數(shù)，并記錄初始刻度。讀數(shù)時(shí)，由于頂板受力產(chǎn)生離層，鋼尺與孔口標(biāo)志產(chǎn)生相對位移，通過計(jì)算當(dāng)前讀數(shù)與初始讀數(shù)差值即可得出頂板離層情況。測量原理如圖4所示。底板采用類似的原理埋設(shè)單根2m長的錨桿，錨桿外露200～300mm，用于測量底板位移。

圖4 頂板離層監(jiān)測原理圖

12301工作面運(yùn)輸巷相比回風(fēng)巷頂板下沉量較小，頂板下沉量最大為159mm，176mm，兩幫移近量14.53mm，錨桿索支護(hù)對巷道穩(wěn)定性有明顯提升。

4 結(jié) 語

12301工作面2#煤層回采巷道的突出特點(diǎn)是其頂板較硬、強(qiáng)度高、厚度大、整體性好，通過將巷道的力學(xué)模型簡化為平面固支或者簡支的深梁模型進(jìn)行理論研究以及結(jié)合模擬軟件分析，采用錨桿索方式支護(hù)能夠保證巷道在回采期間的穩(wěn)定性，可滿足巷道的服務(wù)年限。