吳玉意，黃劍斌

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710054)

厚煤層開采中，全煤巷道的支護(hù)問題一直備受關(guān)注。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)深埋全煤巷道錨桿與圍巖的支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，取得了良好的效果[1-6]. 全煤巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布形成彈性區(qū)、塑性區(qū)、硬化區(qū)、塑性軟化區(qū)和塑性流動(dòng)區(qū)。由于煤層具有軟弱、抗壓強(qiáng)度低的特性，圍巖在高圍壓下易出現(xiàn)峰后軟化現(xiàn)象。塑性軟化區(qū)的巖體強(qiáng)度弱化明顯，傳統(tǒng)的支護(hù)手段往往出現(xiàn)難支護(hù)、支護(hù)效果差等問題[7-11]. 結(jié)合小莊煤礦202工作面回采地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究不同煤層厚度、不同地應(yīng)力組合情況下巷道圍巖破壞規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，評(píng)價(jià)支護(hù)效果。

1 工程概況

小莊煤礦202工作面煤層厚度達(dá)8～13 m. 直接頂主要為中粒砂巖，厚11～19 m. 偽頂主要為泥巖，局部為粉砂巖，厚0.5～1.75 m. 直接底主要為鋁質(zhì)泥巖，厚約4 m. 工作面埋深為400～550 m，走向長1 328 m. 其中，工作面運(yùn)輸巷斷面掘進(jìn)寬度5.7 m，掘進(jìn)高度3.7 m. 巷道穿煤層并沿煤層走向布置，屬于全煤巷道。

2 圍巖應(yīng)力分布與破壞數(shù)值模擬分析

2.1 構(gòu)建模型

根據(jù)工程勘察地質(zhì)資料，建立三維計(jì)算模型，見圖1，模型尺寸為120 m×60 m×50 m，模型上部邊界施加9.5 MPa均布載荷作為上覆巖層自重應(yīng)力，左右邊界施加水平約束條件，垂直位移不做約束，模型底部距離順槽較遠(yuǎn)，認(rèn)為底部邊界不受開挖影響，因而其底部垂直位移和水平位移均限制為0.

圖1 計(jì)算模型圖

采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，所需地層計(jì)算參數(shù)見表1. 各煤層層間采用interface接觸面進(jìn)行層間處理，使層間能夠產(chǎn)生剪切錯(cuò)動(dòng)，接觸面上同樣會(huì)根據(jù)摩爾庫倫包絡(luò)線判定是否發(fā)生剪切破壞，以這種方式模擬層間的不連續(xù)性。

表1 地層計(jì)算參數(shù)表

2.2 模擬方案

1) 模擬巷道煤層厚度在6 m、9 m、12 m和15 m條件下圍巖應(yīng)力分布特征和變形規(guī)律。

2) 模擬側(cè)壓系數(shù)為0.5、1、2的不同應(yīng)力組合條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況。側(cè)壓系數(shù)為0.5時(shí)，垂直應(yīng)力為20 MPa，水平應(yīng)力為10 MPa；側(cè)壓系數(shù)為1時(shí)，垂直應(yīng)力為10 MPa，水平應(yīng)力為10 MPa；側(cè)壓系數(shù)為2時(shí)，垂直應(yīng)力為10 MPa，水平應(yīng)力為20 MPa.

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1不同煤層厚度下圍巖應(yīng)力分布特征

不同煤層厚度下圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布圖見圖2. 由圖2可知，煤層厚度6 m時(shí)，由于巷道兩頂角出現(xiàn)應(yīng)力集中，使圍巖最大應(yīng)力值達(dá)到20.91 MPa. 煤層厚度9 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)有向深部移動(dòng)的趨勢(shì)，但是應(yīng)力集中區(qū)范圍變大，應(yīng)力值降低，此時(shí)最大應(yīng)力值約為17.89 MPa. 煤層厚度12 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中區(qū)范圍繼續(xù)增大，應(yīng)力值繼續(xù)降低。煤層厚度至12 m后，這種規(guī)律將不再明顯。當(dāng)煤層厚度15 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力值變化趨于穩(wěn)定。由此可知，煤層厚度不斷增大，淺部圍巖碎脹加劇，致使應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值減小，但是峰值范圍增大。

圖2 不同煤層厚度下圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布圖

2.3.2不同應(yīng)力組合條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

不同應(yīng)力組合條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育圖見圖3. 從圖3中可以看出，整體來看，巷道表面圍巖主要發(fā)生拉破壞，兩頂角和深部圍巖主要以剪壓破壞為主；巷道的塑性區(qū)發(fā)育與最大主應(yīng)力方向保持一致，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為0.5時(shí)，巷道頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)范圍明顯大于兩幫，頂部塑性區(qū)范圍最大達(dá)到5 m，此工況下頂板支護(hù)體系對(duì)巷道的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1時(shí)，頂板與兩幫的塑性區(qū)較為平均，巷道兩頂角的塑性區(qū)發(fā)育明顯，支護(hù)時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)兩頂角的支護(hù)。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為2時(shí)，巷道的4個(gè)角部裂隙發(fā)育最為嚴(yán)重，兩幫塑性區(qū)范圍明顯大于巷道頂?shù)装?，兩幫塑性區(qū)范圍最大達(dá)到4.5 m，此工況下應(yīng)該加強(qiáng)兩幫的支護(hù)。

圖3 不同應(yīng)力組合條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育圖

3 圍巖控制對(duì)策及工業(yè)試驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：最大垂直應(yīng)力為12.1 MPa，最大水平應(yīng)力為11.4 MPa. 結(jié)合上述模擬研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該工況下最大垂直應(yīng)力約等于最大水平應(yīng)力，此時(shí)巷道塑性區(qū)的發(fā)育范圍較為平均，巷道的頂角處破碎嚴(yán)重，煤層厚度不斷增大，淺部圍巖碎脹加劇，易發(fā)生整體性冒落。結(jié)合上述規(guī)律可知，提高頂板支護(hù)強(qiáng)度，改善淺部圍巖松散破碎尤為關(guān)鍵。同時(shí)，頂板強(qiáng)度高、剛度大時(shí)，在角部撓度與轉(zhuǎn)角對(duì)幫部產(chǎn)生的偏應(yīng)力減小，對(duì)幫部的受力情況也有所改善[12].

以改善頂板整體強(qiáng)度為支護(hù)原則，提出了高強(qiáng)度預(yù)緊力錨索+錨桿+鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方案，順槽支護(hù)見圖4，頂板錨桿規(guī)格d22 mm×2 200 mm，間排距700 mm×800 mm，每排8根，頂板全部錨桿與BHW-150-3.0型鋼帶聯(lián)合使用；錨索規(guī)格為d18.96 mm×7 000 mm，間排距1 400 mm×2 400 mm，每排4根。兩幫錨桿規(guī)格為d22 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm，每排5根，煤層變厚時(shí)應(yīng)適當(dāng)加長錨索。

圖4 順槽支護(hù)設(shè)計(jì)圖

掘進(jìn)期間巷道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖5. 由圖5可知，成巷后40天圍巖整體變形趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量為72.4 mm，兩幫最大移近量為51.2 mm. 掘進(jìn)及回采期間沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)兜、片幫和錨桿索拉斷現(xiàn)象。圍巖變形較小，支護(hù)效果良好。

圖5 掘進(jìn)期間巷道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

4 結(jié) 論

1) 隨著煤層厚度增加，頂板應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值范圍增大，應(yīng)力值降低，當(dāng)煤層厚度達(dá)到12 m后，這種規(guī)律將不再明顯。不同應(yīng)力組合條件下，巷道的塑性區(qū)發(fā)育與最大主應(yīng)力方向保持一致，支護(hù)的關(guān)鍵部位將發(fā)生變化。

2) 以“錨桿一次柔性支護(hù)，高強(qiáng)度錨索二次加強(qiáng)支護(hù)”為原則的聯(lián)合支護(hù)方案與圍巖耦合性較好。