陳 盼

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

巷道作為煤礦井下生產(chǎn)系統(tǒng)的最基本單元，其安全可靠的支護(hù)是確保礦井正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)。近年來，隨著煤礦開采強(qiáng)度和深度的增加，巷道支護(hù)問題與日俱增[1-4]。尤其對于在軟巖、斷層、高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件下開掘的巷道，變形破壞嚴(yán)重，很難一次支護(hù)穩(wěn)定，多數(shù)需要頻繁返修[5-10]。底鼓是此類復(fù)雜地質(zhì)條件下巷道的通病，大量實測資料表明，巷道底鼓量可占到巷道頂?shù)装逡平康?/3～3/4[11，12]，巷道返修與維護(hù)的首要任務(wù)往往是挖底。不同于新掘進(jìn)的巷道，返修巷道圍巖經(jīng)歷過大變形，處于破碎不穩(wěn)定狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行挖底作業(yè)，勢必對巷道頂板和兩幫產(chǎn)生一定的影響。

關(guān)于巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷姆€(wěn)定性關(guān)系，近年來已有許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了相關(guān)探討和研究。侯朝炯等[11]通過研究控制巷道底鼓的基本原理，提出了加固巷道軟弱圍巖幫、角控制底鼓的方法?？导t普[12]在分析巷道圍巖應(yīng)力分布特征的基礎(chǔ)上，提出關(guān)鍵承載圈概念，探討了圓形巷道在彈性和彈塑性應(yīng)力狀態(tài)下關(guān)鍵承載圈的分布及其影響因素，闡述了關(guān)鍵承載圈的特征和變化規(guī)律。李學(xué)華[13]利用數(shù)值計算方法，研究了頂板強(qiáng)度對回采巷道圍巖應(yīng)力分布、塑性區(qū)范圍及底鼓的影響，表明巷道頂板強(qiáng)度提高后，巷道底鼓量也將減小，提出了加固巷道頂板控制底鼓的觀點。王衛(wèi)軍[14]通過數(shù)值計算，模擬了兩幫煤體強(qiáng)度對底鼓的影響，提出了加固兩幫控制深井巷道底鼓的構(gòu)想。李樹清[15]通過數(shù)值計算，研究了底板支護(hù)和注漿加固底板后深部軟巖巷道兩幫圍巖的穩(wěn)定性，表明加固軟弱底板有利于提高深部軟巖巷道兩幫圍巖穩(wěn)定性。單仁亮[16]在分析煤巷幫部破壞機(jī)制和加固機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出強(qiáng)幫護(hù)頂概念設(shè)計，并從理論方面對煤巷強(qiáng)幫支護(hù)理論進(jìn)行了論證。上述研究表明，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷姆€(wěn)定性是相互關(guān)聯(lián)的。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，分析認(rèn)為巷道頂?shù)装搴蛢蓭褪且粋€相互作用的整體，對于已經(jīng)發(fā)生底鼓的巷道，挖底作業(yè)打破了巷道底板的受力平衡，從而改變巷道兩幫和頂板的受力狀態(tài)，對巷道兩幫和頂板穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

1 巷道挖底對幫頂穩(wěn)定性影響分析

巷道開挖以后，圍巖應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。巷道周邊的切向應(yīng)力最大，遠(yuǎn)離巷道處應(yīng)力迅速降低，在二向等壓條件下，圓形巷道的應(yīng)力升高區(qū)主要集中在R0～5R0(R0為圓形巷道半徑)的承載圈內(nèi)，其中R0～2R0主要承載圈內(nèi)應(yīng)力升高幅度最大[12]。

從圍巖穩(wěn)定性角度看，巷道圍巖中的承載圈是外部荷載的主要承載結(jié)構(gòu)，當(dāng)承載圈某一部分巖體遭到破壞時，承載圈會向外部移動，形成新的承載結(jié)構(gòu)。承載圈內(nèi)部巖體是巷道圍巖的主要支護(hù)對象，承載圈越大，需要支護(hù)的巖體就越多，巷道維護(hù)就越困難，要保證巷道的長期穩(wěn)定，就要盡量防止承載圈外移。

承載圈作為自然形成的一個承載結(jié)構(gòu)，主要受巷道所處應(yīng)力環(huán)境、圍巖巖性、巷道斷面形狀等因素影響。挖底過程相當(dāng)于給巷道底板卸載，會引起巷道底板應(yīng)力重分布，當(dāng)挖底深度較大時，甚至可能直接破壞巷道承載圈底板巖層，引起承載結(jié)構(gòu)外移，導(dǎo)致巷道頂板和兩幫處的承載圈也向外部移動，從而影響巷道幫部和頂部的穩(wěn)定性。故巷道挖底作業(yè)時應(yīng)遵循以下一般原則：

1)為保證巷道的整體穩(wěn)定性，對于頂板和兩幫破壞較嚴(yán)重的巷道，在挖底作業(yè)以前，應(yīng)首先加固其頂板和兩幫，防止挖底過程中出現(xiàn)頂板事故。

2)對于斷面尺寸不能滿足使用要求的巷道，巷道修復(fù)作業(yè)時，應(yīng)以清理承載圈內(nèi)部巖層為主，挖底深度不宜觸及底板承載圈，挖底后如果尺寸仍然不滿足要求的，可結(jié)合挑頂、刷幫等措施來增加斷面尺寸。

3)在巷道兩幫下方留設(shè)一定寬度的底板可抑制巷道兩幫的變形，利于巷道的整體穩(wěn)定。故對于寬度較大巷道，挖底時可在巷道幫角處留設(shè)一定寬度的巖體，如巷道寬度較小，挖底時可在巷道幫角處做圓弧過渡，如圖1所示。

圖1 巷道挖底幫角處理方式

2 相似材料模擬研究

以陜西彬長礦區(qū)蔣家河煤礦回風(fēng)大巷為原型，采用相似材料模擬試驗，研究挖底前后巷道幫頂?shù)姆€(wěn)定性變化情況。

2.1 相似模型的建立

根據(jù)該巷道地質(zhì)賦存條件，制作相似材料模型，簡化為平面應(yīng)變模型，模型長160cm，高150cm，厚20cm，如圖2所示。模型的幾何相似比為1∶25，應(yīng)力相似比為1∶42.5，密度相似比為1∶1.7。模型采用氣囊施加水平荷載和豎向荷載，側(cè)壓力系數(shù)取1。模型制作過程中，在巷道底板正下方埋設(shè)有4個應(yīng)力傳感器(1—4號傳感器)，監(jiān)測其水平應(yīng)力的變化情況；在巷道腰線外側(cè)埋設(shè)4個應(yīng)力傳感器(5—8號傳感器)，監(jiān)測垂直應(yīng)力變化情況。

圖2 相似材料模擬試驗?zāi)Ｐ?/p>

2.2 相似模型的開挖支護(hù)過程及圍巖破壞分析

模型制作完成后，脫模風(fēng)干，之后在模型前后安裝玻璃板，僅在模型后方留出巷道開挖口。該巷道原型埋深約400m，換算為模型上覆巖層產(chǎn)生的垂直應(yīng)力為0.23MPa。在模型加載之前，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，記錄各應(yīng)力傳感器初值，即可開始加載。采用分級加載方式給模型施加荷載，每級加載0.02MPa，水平荷載和垂直荷載同步施加。每級荷載施加完后，保持30min，再施加下一級荷載，直到施加至0.23MPa。

荷載施加完畢后，在模型后方留出的開挖口按實際巷道縮放后的尺寸進(jìn)行巷道開挖，并采用細(xì)鐵絲和塑料網(wǎng)分別模擬錨桿和鋼筋網(wǎng)，進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)效果如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)完成后效果

巷道開挖支護(hù)期間，保持壓力不變，支護(hù)完成后一段時間，巷道右底角出現(xiàn)裂縫，之后底板中部出現(xiàn)縱向裂縫，并有向上隆起的趨勢，兩幫出現(xiàn)微小裂縫，隨著底板破碎加劇，裂隙貫通，出現(xiàn)比較明顯底鼓現(xiàn)象，頂板也出現(xiàn)“網(wǎng)兜”，一段時間之后，巷道圍巖基本穩(wěn)定，巷道底板破壞效果如圖4所示。

圖4 巷道底板破壞效果

在此基礎(chǔ)上，保持模型荷載不變，對巷道進(jìn)行挖底作業(yè)。挖底后，用馬克筆在前玻璃板上標(biāo)出巷道斷面形狀，觀察巷道圍巖變化情況。一段時間后，頂板發(fā)生離層，并伴有巖體垮落，兩幫明顯向內(nèi)收斂，挖底后的巷道底板又出現(xiàn)隆起的趨勢。隨著圍巖變形加劇，最終巷道圍巖整體失穩(wěn)，巷道基本喪失使用功能。挖底后巷道圍巖變形破壞過程如圖5所示。

圖5 挖底后巷道圍巖變形情況

由此可見，挖底對巷道兩幫和頂板的穩(wěn)定性有顯著影響。此外，通過對此次試驗過程中傳感器數(shù)據(jù)的分析，也可以證明這一結(jié)論。

2.3 試驗過程中傳感器數(shù)據(jù)分析

1號監(jiān)測點的應(yīng)力變化曲線如圖6所示，該傳感器是埋設(shè)于巷道底板正下方的第一個傳感器，監(jiān)測所處巖層的水平應(yīng)力。巷道底板開始破壞和挖底所對應(yīng)的特征點如圖6所示。由圖6可以看出，在模型加載階段該監(jiān)測點所處巖層的水平應(yīng)力隨著荷載的增加逐漸增大，直到到達(dá)某一峰值開始下降，說明底板巖層已經(jīng)破壞。挖底之后，1號監(jiān)測點裸露，應(yīng)力變成零。

圖6 1號監(jiān)測點的應(yīng)力變化曲線

2號監(jiān)測點的應(yīng)力變化如圖7所示，該傳感器位于1號監(jiān)測點的正下方，監(jiān)測所處巖層的水平應(yīng)力，特征點標(biāo)記如圖7所示。由圖7可以看出，在巷道底板上部巖層開始破壞之后，處于下部的2號監(jiān)測點所處巖層水平應(yīng)力有了明顯的增加，表明此時底板應(yīng)力已經(jīng)開始向深部轉(zhuǎn)移，巷道挖底之后，應(yīng)力繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移，該測點應(yīng)力繼續(xù)增大，很快到達(dá)應(yīng)力峰值，之后應(yīng)力慢慢減小，表明此時2號監(jiān)測點所處巖層開始破壞，應(yīng)力向更深部轉(zhuǎn)移。

圖7 2號測點應(yīng)力變化曲線

5號監(jiān)測點的應(yīng)力變化曲線如圖8所示，該傳感器是埋設(shè)于巷道腰線內(nèi)側(cè)的第一個傳感器，測試所處巖層的垂直應(yīng)力，特征點標(biāo)記如圖8所示。由圖8可以看出，在巷道底板開始破壞后，該傳感器所處巖層應(yīng)力有了小幅度的減小，表明底板破壞會影響到巷道幫部的受力狀態(tài)。巷道挖底之后，該傳感器所處巖層有了大幅度的減小，結(jié)合圖6、7分析可知，底板應(yīng)力向深部會導(dǎo)致幫部應(yīng)力也向深部轉(zhuǎn)移，挖底對巷道幫部受力狀態(tài)有明顯影響。

圖8 5號測點應(yīng)力變化曲線

6號監(jiān)測點的應(yīng)力變化曲線如圖9所示，該傳感器是埋設(shè)于巷道腰線內(nèi)側(cè)的第二個傳感器，測試所處巖層的垂直應(yīng)力，特征點標(biāo)記如圖9所示。由圖9可以看出，巷道挖底之后傳感器所處巖層應(yīng)力有明顯的增大，分析其原因為：巷道挖底致使承載圈向深部轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致幫部應(yīng)力也向深部移動。在巷道幫部表面巖體破壞之后，深部巖體應(yīng)力有了較大幅度的增高。

圖9 6號測點應(yīng)力變化曲線

通過對以上分析可知，巷道圍巖荷載優(yōu)先由淺部巖體承擔(dān)，當(dāng)淺部巖體發(fā)生破壞之后，應(yīng)力就會向深部轉(zhuǎn)移。由于巷道承載圈各部分巖體是一個相互作用的整體，巷道挖底改變了底板應(yīng)力分布，甚至破壞了底板承載圈，引起承載圈整體向深部移動，導(dǎo)致巷道頂板和兩幫破壞深度加大，變形嚴(yán)重。

3 工程實例

3.1 工程概況

禾草溝煤礦是延安市市屬的大型煤礦，設(shè)計年產(chǎn)300萬t(商品煤)。該煤礦現(xiàn)開采5號煤層，煤層平均厚度2.19m，煤層頂板巖性大多為灰黑色薄-中厚層狀的油頁巖，局部為灰色厚層狀的粉砂巖；底板多為灰黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖。

該礦區(qū)50107工作面回風(fēng)巷底板巖石強(qiáng)度較低，且部分區(qū)域節(jié)理發(fā)育，在工作面回采以前，巷道即發(fā)生嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象，兩幫和頂板也存在不同程度的破壞，底鼓后巷道高度1.5～2.4m不等。劇烈的底鼓現(xiàn)象制約著巷道的運輸通行能力，且底鼓引起的巷道斷面減小也會導(dǎo)致采面通風(fēng)效果不佳，影響礦區(qū)的安全高效生產(chǎn)。

3.2 巷道挖底前后頂板和兩幫的變形情況

為了50107工作面的順利回采，礦方?jīng)Q定在工作面回采前對巷道進(jìn)行挖底作業(yè)。根據(jù)礦方要求，挖底至巷道高度滿足2.8±0.2m，巷道實際挖底厚度達(dá)0.4～1.5m，由于巷道頂幫也有較大變形，挖底作業(yè)前，在巷道頂板和兩幫分別安裝監(jiān)測點，以監(jiān)測巷道挖底前后頂板和兩幫的變形情況，監(jiān)測點布置方式如圖10所示，監(jiān)測斷面處挖底厚度為0.7m。

圖10 巷道圍巖監(jiān)測點布置示意圖

此外，為盡可能減少巷道挖底對幫頂穩(wěn)定性的影響，挖底時，在巷道靠近采空區(qū)側(cè)留約1m寬底板不挖底，該段留設(shè)底角在工作面回采時可由端頭支架和巷幫空隙讓至采空區(qū)。

在巷道挖底過程中，兩幫收斂量和頂板下沉量的變化曲線如11、圖12所示。由圖可以看出，在巷道挖底之前，監(jiān)測期圍巖變形很小，巷道挖底至監(jiān)測斷面時，兩幫和頂板都有較大的變形，甚至在挖底過程中有片幫現(xiàn)象發(fā)生。

圖11 巷道兩幫收斂量曲線

圖12 巷道頂板下沉量曲線

由以上分析結(jié)合現(xiàn)場情況可知，巷道挖底后18d內(nèi)，兩幫相對收斂量達(dá)52mm，收斂主要集中在挖底后2d內(nèi)發(fā)生，部分區(qū)段在挖底過程中就有較為明顯的片幫現(xiàn)象；頂板也會受到挖底的影響，18d內(nèi)巷道頂板下沉量為23mm，部分區(qū)段頂板出現(xiàn)裂縫。對比頂板和兩幫變形可知，幫部對挖底作業(yè)更為敏感。由此可見，此次巷道挖底作業(yè)，已經(jīng)明顯的影響到了巷道兩幫和頂板的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1)分析認(rèn)為巷道頂?shù)装搴蛢蓭褪且粋€相互作用的整體，挖底改變了巷道底板應(yīng)力狀態(tài)，可能影響巷道頂板和兩幫的穩(wěn)定性，挖底時留設(shè)幫角或在幫角處做圓弧過渡有利于巷道的整體穩(wěn)定性。

2)通過相似材料模擬試驗驗證了巷道淺部圍巖破壞會導(dǎo)致應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移，從而影響巷道頂板和兩幫的穩(wěn)定性。

3)通過監(jiān)測巷道頂板和兩幫在挖底前后的變形情況，表明挖底作業(yè)會影響巷道底板和兩幫的穩(wěn)定性，且?guī)筒繉ν诘鬃鳂I(yè)更為敏感。