賀 澤

（同煤集團(tuán)同家梁礦，山西 大同 037025）

1 工程背景

8#煤層北一盤區(qū)8105工作面2105回風(fēng)巷巷位于同忻井田的東部，西部為8#煤層北一盤區(qū)三條系統(tǒng)巷，其余相鄰四周均為未開采的實煤區(qū)，8#層北一盤區(qū)8105工作面與3-5#層北一盤區(qū)8105及8104工作面投影間距為20-36m，對掘進(jìn)巷道影響不大。8#煤層北一盤區(qū)2105巷其西部為8#煤層北一盤區(qū)三條系統(tǒng)巷，其余相鄰四周均為未開采的實煤區(qū)，對掘進(jìn)無影響。8#煤層平均厚度為5.25m，直接頂板巖性為粗細(xì)砂巖，老頂為細(xì)砂巖及砂質(zhì)泥巖互層，直接底為高嶺質(zhì)泥巖，2105回風(fēng)巷斷面尺寸為（寬×高）5.6×3.85m，沿煤層頂板掘進(jìn)，屬于大斷面半煤巖巷。

2 理論分析

2.1 大斷面半煤巖巷道圍巖控制機(jī)理

針對大斷面半煤巖巷道[1-2]，使用頂板錨桿-錨索強(qiáng)力幫錨桿協(xié)同支護(hù)措施。巷道上覆巖層在錨桿錨索預(yù)應(yīng)力聯(lián)合作用下，在低位錨桿和高位錨索兩端形成壓應(yīng)力區(qū)，在現(xiàn)有的支護(hù)密度下，錨桿錨索兩端所產(chǎn)生的壓應(yīng)力在中間的巖層進(jìn)行交互重疊，使中間巖層形成一個密實的整體結(jié)構(gòu)，這個整體結(jié)構(gòu)的均勻性以及完整性與支護(hù)參數(shù)息息相關(guān)，形成的整體結(jié)構(gòu)以整體的載荷作用在巷道兩幫的巖體上，這樣一來大大增強(qiáng)了上覆頂板的破斷能力以及承載能力，使其變形程度降到最低。兩幫也是同樣的道理，在幫部強(qiáng)力錨桿的作用下，兩幫圍巖形成了密實整體，提高了對上覆巖層的承載能力以及控制自身的變形能力。如圖1為大斷面半煤巖巷道支護(hù)承載理論分析圖。

圖1 半煤巖巷支護(hù)承載分析圖

由圖可以看出，中間巖層形成的組合壓縮處于三向受力狀態(tài)，使巖體的強(qiáng)度及完整性得到了提高，圍巖的支承及控制變形能力得到改善。

在組合拱壓縮帶，沿巷道軸向單位長度上組合拱承載合力可以表示為[5]：

式中：α為破裂巖體中的控制角，且錨桿等間距布置時；L為錨桿長度；D為錨桿間距，b0為組合拱厚度；L為錨桿長度；Ps為錨桿約束力；φθ為破裂巖石內(nèi)摩擦角。

由圖1可知，組合拱在外力qc和錨桿約束力的作用下，根據(jù)平衡條件所產(chǎn)生的環(huán)向軸力N0有：

式中：R0為組合拱壓縮帶內(nèi)徑；ds為組合拱外弧形單元；dα為組合拱沿巷道中心的角度微分單元。

由式（2）和式（3）可以得到：

組合拱在覆巖載荷的作用下，要使組合拱保持穩(wěn)定，則其承載合力N與環(huán)向軸力N0應(yīng)滿足N≥N0，因此將式（2）～（4）代入式（1）得錨桿組合拱的所受外力載荷為：

由公式（5）可以看出，在形成組合壓縮拱后，只需提供較小的預(yù)緊力就能夠獲得較大的結(jié)構(gòu)支承力，其中影響整體結(jié)構(gòu)能力的因素有錨桿-錨索長度、間排距、預(yù)緊力、以及在破碎巖體中錨桿-錨索的控制角及約束力等。

2.2 錨桿-錨索協(xié)同控制機(jī)理

錨桿錨索協(xié)同支護(hù)主要從以下三方面進(jìn)行進(jìn)行體現(xiàn)[3-4]：①低位錨桿主要對直接頂進(jìn)行錨固控制，形成一定的承載梁結(jié)構(gòu)體，控制頂板裂隙巖層及軟弱夾層的變形以及增強(qiáng)其承載能力；②高位錨索控制上覆較遠(yuǎn)處巖層的穩(wěn)定性，同時將梁形結(jié)構(gòu)直接頂與遠(yuǎn)處穩(wěn)定巖層進(jìn)行擠壓形成穩(wěn)定性更高的拱梁耦合結(jié)構(gòu)，增大了各巖層間軟弱面的摩擦力，使其在各個方向上都具有較高的穩(wěn)定性，增強(qiáng)巷道圍巖整體的自穩(wěn)能力，從而能夠較好的控制巷道圍巖變形；③幫部錨桿與頂板錨桿作用機(jī)制相同，幫部煤體在錨桿錨固作用下，形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的墻形結(jié)構(gòu)體，承載上覆載荷，并將應(yīng)力向煤幫及底板深處轉(zhuǎn)移，使其形成范圍更廣穩(wěn)定性更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)組合體。

如圖2所示為錨桿錨索支護(hù)應(yīng)力分布圖，可以看出，直接頂在一定錨桿支護(hù)密度下，形成壓應(yīng)力重疊區(qū)，整體形成梁形承載結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)處錨索在上覆巖層深處進(jìn)行錨固，先一定支護(hù)密度下，形成組合拱，在錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)下，就形成了穩(wěn)定性更強(qiáng)的拱-梁結(jié)構(gòu)體，擴(kuò)大了整體承載結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定區(qū)范圍。

圖2 錨桿-錨索支護(hù)應(yīng)力分布圖

3 錨桿-錨索協(xié)同控制技術(shù)

3.1 支護(hù)參數(shù)

根據(jù)上述理論分析，針對大斷面半煤巖巷提出“錨桿+錨索+網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)方式，支護(hù)參數(shù)為：頂幫錨桿規(guī)格為φ20×2500mm，間排距為900×1000mm；錨 索 規(guī) 格 為φ17.8×6300mm，1800×2000mm，布置方式為3-2-3布置；鋼筋網(wǎng)為3000mm×1200mm。如圖3為支護(hù)設(shè)計斷面圖。

圖3 支護(hù)設(shè)計斷面圖

3.2 數(shù)值模型建立

利用FLAC3D模擬巷道掘進(jìn)期及工作面回采期圍巖穩(wěn)定性情況。模型大小為長×寬×高=400m×200m×110m，劃分單元數(shù)為358360個，節(jié)點數(shù)為374819個。煤層模擬厚度為5.25m，其他巖層根據(jù)實際情況進(jìn)行建模并賦值，煤層埋深按照最大埋深考慮為550m。上覆巖層載荷按照巖層自重進(jìn)行施加，水平構(gòu)造應(yīng)力按自重載荷的1.1倍進(jìn)行施加，模型底部邊界固定，計算至初始平衡。

3.2.1 掘進(jìn)時期巷道穩(wěn)定性

如圖4為巷道掘進(jìn)時期巷道塑性區(qū)破壞分布圖及垂直應(yīng)力分布圖，由圖（a）可以看出，在巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，圍巖發(fā)生部分破壞，其中頂板破壞深度為1.3m，兩幫破壞深度為0.5m，底板破壞深度為2.1m，底板破壞深度相對較大，因為底板巖性強(qiáng)度較弱，但對巷道使用性影響較小，頂板及兩幫圍巖破壞范圍較小，圍巖穩(wěn)定性控制較好。如圖（b）可以看出，巷道圍巖垂直應(yīng)力總體呈對稱分布，巷道頂板上方2m以及底板一定深度內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，且呈波紋擴(kuò)散狀向深處擴(kuò)散，在錨桿錨固端到錨索錨固端范圍內(nèi)，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，且應(yīng)力分布較為均勻，其中應(yīng)力集中最大處值為17.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5，說明錨桿-錨索形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)性較好，與前文的理論分析結(jié)果較為一致；同樣兩幫錨桿錨固端處應(yīng)力集中性較好，且應(yīng)力向煤體深處擴(kuò)散，擴(kuò)大了支承承載面積，支護(hù)效果較好。

圖4 錨桿-錨索協(xié)同支護(hù)效果圖

3.2.2 回采時期巷道穩(wěn)定性

圖5 巷道圍巖隨工作面回采塑性區(qū)分布圖

如圖5為巷道圍巖隨工作面回采塑性破壞圖，由圖可以看出，在工作面前方50m處，巷道圍巖開始進(jìn)一步破壞，兩幫破壞深度進(jìn)一步加深，證明巷道進(jìn)入工作面超前采動影響范圍；在工作面前方20m時，巷道圍巖破壞深度進(jìn)一步加大，兩幫破壞深度達(dá)到1m，且巷道右上方頂板發(fā)生破碎；在工作面0m處時，圍巖破碎較為嚴(yán)重，工作面上方頂板已整體破碎，但巷道圍巖破碎范圍仍在錨固范圍之內(nèi)，表明支護(hù)強(qiáng)度能夠很好維持圍巖穩(wěn)定性，支護(hù)效果較好。

如圖6為巷道圍巖變形量隨工作面回采變化曲線，由圖可以看出，在工作面前方80m處時，頂?shù)装寮皟蓭鸵平块_始增加，但是增加幅度不是很大，當(dāng)巷道距離工作面前方50m處時，巷道圍巖變形量開始急劇增加，證明工作面超前采用影響開始劇烈顯現(xiàn)，在工作面0m處時，圍巖變形量達(dá)到最大，其中頂?shù)装遄畲笠平繛?57mm，兩幫最大移近量為195mm，圍巖變形量較小，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。

圖6 巷道圍巖移近量隨工作面回采變化曲線

4 現(xiàn)場應(yīng)用

圖7 圍巖變形移近量監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)理論分析及數(shù)值模擬得出結(jié)果，利用提出的支護(hù)方案對8105回風(fēng)巷進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，并在工作面前方巷道圍巖布置位移監(jiān)測裝置，監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。由圖可以看出，在工作面前方80m處時，巷道受采動影響，變形量開始增加，且增幅較大，當(dāng)距離工作面45m處時，巷道圍巖變形量增加幅度減小，一直到工作面0m處時，巷道圍巖變形量達(dá)到最大，其中頂?shù)装逡平繛?50mm，兩幫移近量為210mm，圍巖變形量較小，圍巖能后得到很好的控制。另外還可以看出，雖然采動影響范圍的確定與模擬結(jié)果不同，但是最終圍巖變形量的大小與模擬結(jié)果具有較高的一致性。

5 結(jié)論

1）通過理論分析，對大斷面半煤巖巷道圍巖控制機(jī)理進(jìn)行了分析以及對錨桿-錨索協(xié)同支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了闡述，并確定了影響支護(hù)效果的主要參數(shù)有錨桿錨索長度、間排距以及預(yù)緊力等。

2）針對理論分析，提出了大斷面半煤巖巷支護(hù)方案，并通過數(shù)值模擬分析了在此支護(hù)參數(shù)下巷道在掘進(jìn)期間、工作面回采期間圍巖的穩(wěn)定性，最終得出巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?57mm，兩幫移近量為195mm，圍巖變形量較小。

3）針對提出的支護(hù)方案進(jìn)行了現(xiàn)場實測研究，得出了巷道圍巖變形量隨工作面回采變化曲線，結(jié)果得出巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?50mm，兩幫移近量為210mm，圍巖變形量較小，能夠滿足安全高效生產(chǎn)要求，且與模擬結(jié)果較為一致。