潘一山，高學(xué)鵬，王 偉，肖永惠

(1.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036；2. 東北大學(xué) 深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采深度增加和開(kāi)采強(qiáng)度增大，煤礦沖擊地壓?jiǎn)栴}愈發(fā)嚴(yán)重。沖擊地壓礦井綜采工作面兩巷超前支護(hù)區(qū)域受回采影響，其應(yīng)力通常能達(dá)到原巖應(yīng)力的2～5倍[1]，圍巖變形破壞嚴(yán)重，支護(hù)體失效頻繁，更是沖擊地壓等事故頻發(fā)之地。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016—2020年我國(guó)共發(fā)生9起沖擊地壓事故，均為巷道沖擊地壓事故，共造成68人死亡，其中5起發(fā)生于綜采工作面兩巷超前支護(hù)區(qū)域，造成41人死亡，占總死亡人數(shù)的60.3%。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞回采巷道圍巖變形破壞及控制進(jìn)行了大量研究。宋振騏等[2]提出的“傳遞巖梁理論”和錢鳴高等[3]提出的“砌體梁理論”表明，綜采工作面的回采不可避免地在前方煤巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)兩巷圍巖造成不同程度破壞。謝和平[4]指出深部開(kāi)采具有強(qiáng)擾動(dòng)、強(qiáng)時(shí)效特性，加速煤巖體材料力學(xué)性能劣化和巷道圍巖變形破壞。經(jīng)多年實(shí)踐，我國(guó)逐漸形成以錨桿(索)支護(hù)為主體的巷道圍巖控制格局，應(yīng)用較廣的巷道支護(hù)理論主要包括：新奧法支護(hù)理論、聯(lián)合支護(hù)理論、松動(dòng)圈支護(hù)理論、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論、錨桿預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論以及沖擊地壓巷道三級(jí)支護(hù)理論等[5-6]。目前我國(guó)工作面兩巷超前支護(hù)區(qū)域多采用“單體液壓支柱+金屬梁”形式加強(qiáng)支護(hù)，但由于支護(hù)強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，易造成安全事故[7]。液壓支架具有較高的支護(hù)強(qiáng)度和較好的接頂、護(hù)幫性能，與前者相比具有更高的安全性。在巷道超前支護(hù)液壓支架研究方面，王國(guó)法等[8-9]對(duì)液壓支架設(shè)計(jì)與支護(hù)技術(shù)理論進(jìn)行了大量研究，并提出支架-圍巖耦合支護(hù)原理與設(shè)計(jì)方法。徐亞軍等[10]提出了巷道超前支護(hù)液壓支架自適應(yīng)支護(hù)理論。潘一山等[11]對(duì)巷道防沖液壓支架設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)幾十年的探索與發(fā)展，我國(guó)在巷道超前支護(hù)液壓支架設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用方面逐漸達(dá)到世界一流水平，并不斷向適應(yīng)大采高、大噸位、抗沖擊方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)礦井投入使用的巷道超前支護(hù)液壓支架支護(hù)阻力主要在2 000～10 000 kN，部分西部現(xiàn)代化礦井大采高綜采工作面，其端頭附近投入使用的巷道液壓支架支護(hù)阻力超過(guò)20 000 kN[12-13]，但目前巷道超前支護(hù)液壓支架支護(hù)范圍集中于工作面出口20 m范圍內(nèi)，超前20 m范圍外的采動(dòng)影響區(qū)域仍采用單體液壓支柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，液壓支架支護(hù)范圍有待于進(jìn)一步增大。目前，國(guó)家相關(guān)部門與國(guó)內(nèi)部分先進(jìn)大型煤企逐漸加快了巷道超前支護(hù)工藝改革步伐。2020年12月，國(guó)家礦山安全監(jiān)察局《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》[14]要求：“評(píng)價(jià)具有中等及以上沖擊地壓危險(xiǎn)的采煤工作面……上下出口和巷道超前支護(hù)應(yīng)當(dāng)采用液壓支架”。2020年6月，中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司下發(fā)了《關(guān)于推廣應(yīng)用超前支護(hù)液壓支架的通知》[15]并明確提出：“兩巷超前支護(hù)范圍內(nèi)全面采用液壓支架，逐步淘汰單體液壓支柱支護(hù)，沖擊地壓礦井和開(kāi)采深度超600 m的礦井應(yīng)于2021年6月底前完成推廣應(yīng)用工作，其他礦井應(yīng)于2021年底前完成推廣應(yīng)用工作”。我國(guó)綜采工作面兩巷支護(hù)開(kāi)始進(jìn)入液壓支架全面取代液壓?jiǎn)误w支柱的關(guān)鍵改革階段。

基于此，在分析綜合機(jī)械化采煤方法礦壓特征基礎(chǔ)上，進(jìn)行工作面及兩巷礦壓與支護(hù)對(duì)比研究，研究工作面與巷道礦壓存在的差異，討論提高巷道支護(hù)水平的意義。從支護(hù)匹配性角度，研究工作面支護(hù)及其兩巷超前支護(hù)差異，討論推廣應(yīng)用巷道超前支護(hù)液壓支架，替換傳統(tǒng)單體液壓支護(hù)支護(hù)的必要性。開(kāi)展兩巷超前液壓支護(hù)設(shè)計(jì)研究，總結(jié)適應(yīng)我國(guó)巷道條件的液壓支架類型，并探討巷道超前支護(hù)液壓支架選型及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

1 沖擊地壓礦井綜采工作面開(kāi)采礦壓特征

1.1 隨采深增加采場(chǎng)地應(yīng)力水平增高

現(xiàn)階段我國(guó)工作面平均開(kāi)采深度在700 m左右，中東部主要礦井采深均達(dá)800～1 000 m[16]，而新疆、內(nèi)蒙古等西部礦區(qū)雖然開(kāi)發(fā)較晚，但部分礦井由于首采煤層回采結(jié)束，逐漸向中深部煤層進(jìn)行開(kāi)拓。煤層開(kāi)采深度增加直接導(dǎo)致采場(chǎng)垂直、水平地應(yīng)力水平增大，沖擊地壓發(fā)生可能性增大。

1.2 隨開(kāi)采空間增大采場(chǎng)應(yīng)力影響范圍增大

隨著回采及支護(hù)技術(shù)提高，為了提高工作面單產(chǎn)效率和減少搬家次數(shù)，煤層一次性回采厚度增大。隨著采場(chǎng)空間增大，煤層回采將形成更大的采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)，造成更大空間范圍內(nèi)的煤巖體應(yīng)力調(diào)整。蒙、陜等西部礦區(qū)部分礦井的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)表明，回采鄰近首采工作面的第2～3個(gè)工作面時(shí)，采場(chǎng)動(dòng)力顯現(xiàn)顯著增強(qiáng)，存在采空區(qū)聯(lián)動(dòng)誘發(fā)礦震與沖擊地壓現(xiàn)象。

1.3 隨開(kāi)采強(qiáng)度增加礦震增多

西部礦區(qū)開(kāi)采條件較好，礦井建設(shè)時(shí)間較晚，礦井產(chǎn)能普遍較大，部分沖擊地壓礦井產(chǎn)能超過(guò)800萬(wàn)t/a。隨著開(kāi)采深度增加，開(kāi)采強(qiáng)度對(duì)于沖擊地壓影響增強(qiáng)，礦震顯著增多。以內(nèi)蒙古某礦為例，該礦103工作面由于回采速度較快，回采過(guò)程中出現(xiàn)多次大能量礦震事件?；夭伤俣茸兓瘜?duì)工作面礦震事件有直接影響，如圖1所示，工作面回采速度在2018年11月25日開(kāi)始逐漸增大，回風(fēng)巷超前區(qū)域頂板彈性能積聚，大能量微震事件增多；回采速度在11月28日降至2.4 m/d，在11月29日又恢復(fù)至5.6 m/d，這種不穩(wěn)定的回采導(dǎo)致能量不穩(wěn)定釋放，產(chǎn)生更大能量級(jí)的礦震，11月30日，103工作面回風(fēng)巷超前工作面58 m位置發(fā)生1起能量為4.5×106J的礦震事件。

圖1 回采速度與微震能量變化關(guān)系Fig.1 Relationship between microseismic monitoring energy and mining speed

1.4 沖擊地壓及頂板事故主要發(fā)生于兩巷

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近5年工作面內(nèi)未發(fā)生沖擊地壓，而區(qū)段平巷(兩巷)共發(fā)生5次沖擊地壓，總傷亡達(dá)53人。其中，3起沖擊地壓發(fā)生于單體液壓支柱支護(hù)巷道，2起沖擊地壓發(fā)生于單元式液壓支架支護(hù)巷道，巷道支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較低。沖擊地壓發(fā)生時(shí)，摧毀巷道原有支護(hù)體系，并可能伴有冒頂、煤與瓦斯突出等復(fù)合災(zāi)害[17]。

從頂板事故統(tǒng)計(jì)角度，近5年來(lái)我國(guó)每年煤礦頂板事故傷亡人數(shù)約占煤礦事故總傷亡人數(shù)的1/3，其中約41.5%的頂板事故發(fā)生于工作面與兩巷，傷亡人數(shù)整體比例達(dá)51.08%。如圖2所示，2016—2018年兩巷發(fā)生頂板事故最多，2017年之后頂板事故發(fā)生于兩巷的比例逐漸減小，發(fā)生于工作面內(nèi)部的比例增加。兩巷由于工作人員較為集中，人員傷亡每年平均為18.2人，占比52.91%，是回采影響區(qū)域內(nèi)人員傷亡最集中位置。此外，工作面端頭附近受應(yīng)力集中影響，頂板事故發(fā)生數(shù)量接近工作面內(nèi)部，也是頂板事故集中區(qū)域。

圖2 工作面與兩巷頂板事故對(duì)比Fig.2 Comparison of roof accidents between working face and two entries

2 工作面及其兩巷礦壓對(duì)比分析

2.1 巷道應(yīng)力集中程度更高

為比較工作面與兩巷應(yīng)力集中程度，定義Kg為工作面中部應(yīng)力集中系數(shù)，Kt為回風(fēng)巷應(yīng)力集中系數(shù)，Kh為運(yùn)輸巷應(yīng)力集中系數(shù)。采場(chǎng)不同位置應(yīng)力集中程度普遍呈現(xiàn)出Kt>Kg>Kh的特征，回風(fēng)巷由于鄰近采空區(qū)，應(yīng)力集中程度最高。定義傾向應(yīng)力集中偏度ζ=Kt/Kg，則ζ反映了沿空側(cè)巷道與工作面應(yīng)力集中程度的差異。采用數(shù)值模擬獲得不同回采參數(shù)下的ζ變化如圖3所示。工作面采深、采高、斜長(zhǎng)均對(duì)ζ具有顯著影響。隨著工作面采深增加，ζ呈非線性增大；隨著工作面采高增加，ζ呈非線性增大；隨著工作面斜長(zhǎng)增加，ζ先增大后減小。

圖3 回采參數(shù)對(duì)工作面傾向應(yīng)力集中偏度的影響Fig.3 Influence of mining parameters on inclined stress concentration skewness of working face

2.2 巷道受采動(dòng)影響范圍更大，所需支護(hù)時(shí)間長(zhǎng)

工作面與兩巷受采動(dòng)影響對(duì)象與范圍存在較大差異。工作面內(nèi)受采動(dòng)影響的圍巖主要是采煤機(jī)前方實(shí)體煤壁與支架支撐的頂板，工作面圍巖所需支護(hù)的時(shí)間短、范圍小，支護(hù)難度較小。而兩巷服務(wù)于工作面回采的布置特征決定了巷道圍巖在回采過(guò)程中經(jīng)歷整個(gè)超前支承壓力影響過(guò)程。內(nèi)蒙古某礦402工作面回風(fēng)巷內(nèi)實(shí)測(cè)頂板超前支承壓力如圖4所示(年份為2019年，時(shí)刻均為00：00：00)，頂板超前支承壓力影響范圍83 m，支承壓力峰值距工作面21 m，應(yīng)力集中系數(shù)5.6。測(cè)點(diǎn)處巷道圍巖從開(kāi)始受到采動(dòng)影響至工作面回采到該位置時(shí)，經(jīng)歷約20 d，巷道在此期間存在不同程度頂板下沉、底鼓等礦壓顯現(xiàn)。因此，從采動(dòng)影響時(shí)空范圍角度，巷道所需加強(qiáng)支護(hù)的時(shí)間長(zhǎng)、范圍大，支護(hù)難度也更高。

圖4 回風(fēng)巷頂板超前支承壓力實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.4 Measured results of advancing abutment pressure in tail entry

2.3 巷道圍巖變形破壞更嚴(yán)重，控制難度高

回采過(guò)程中，工作面內(nèi)部圍巖破壞以片幫、漏頂為主，而兩巷則面臨底鼓、頂板下沉以及兩幫鼓出等問(wèn)題，尤其是沿空側(cè)巷道圍巖變形破壞更嚴(yán)重，對(duì)安全回采影響較大。除應(yīng)力集中影響外，重復(fù)采動(dòng)也是兩巷圍巖更容易變形破壞的重要原因。工作面煤壁前方為實(shí)體煤，回采前處于三向應(yīng)力狀態(tài)，回采過(guò)程中煤體僅受1次采動(dòng)影響，煤體損傷程度低，完整性較好，不容易發(fā)生破壞。而兩巷圍巖則在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)受多次采動(dòng)影響，包括：相鄰工作面回采產(chǎn)生的側(cè)向采動(dòng)影響，巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的采動(dòng)影響，本工作面回采產(chǎn)生的超前采動(dòng)影響，圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)甚至為單向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖損傷程度高，承載能力降低，巷道變形破壞更嚴(yán)重。

因此，兩巷應(yīng)力集中程度更高、采動(dòng)影響范圍更大、圍巖變形破壞更嚴(yán)重，兩巷是采場(chǎng)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)和動(dòng)力災(zāi)害事故主要發(fā)生位置之一，作為重要的通風(fēng)、行人通道，對(duì)支護(hù)的要求更高，支護(hù)難度也更大。

3 工作面支護(hù)與兩巷超前支護(hù)對(duì)比

3.1 巷道支護(hù)技術(shù)及裝備發(fā)展嚴(yán)重滯后于工作面

根據(jù)煤礦支護(hù)技術(shù)及裝備發(fā)展情況，我國(guó)工作面及兩巷支護(hù)工藝改革及發(fā)展分為4個(gè)階段[18]。

第1階段為20世紀(jì)70年代之前，工作面與兩巷超前支護(hù)以木支護(hù)為主，支護(hù)強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差。第2階段為20世紀(jì)70—80年代，我國(guó)煤礦工作面逐漸取消木支護(hù)，單體液壓支柱逐漸普及，支護(hù)強(qiáng)度增加。與此同時(shí)，在引進(jìn)西方國(guó)家工作面液壓支架基礎(chǔ)上，國(guó)產(chǎn)液壓支架研制與應(yīng)用也逐漸開(kāi)始發(fā)展。這一階段內(nèi)，兩巷超前支護(hù)工藝改革落后于工作面，巷道逐漸取消木支護(hù)，金屬支架和單體液壓支柱應(yīng)用增多，而同時(shí)期的蘇聯(lián)等國(guó)家已開(kāi)始巷道超前支護(hù)液壓支架大量應(yīng)用探索[19]。

第3階段為20世紀(jì)90年代至2005年，我國(guó)液壓支架進(jìn)入快速發(fā)展階段，全國(guó)綜采工作面數(shù)量大幅度增加，液壓支架架型增多，支架性能、參數(shù)、穩(wěn)定性及可靠性顯著提高。該階段內(nèi)，國(guó)內(nèi)工作面兩巷超前支護(hù)主要為單體液壓支柱和金屬支架，與此同時(shí)，少數(shù)生產(chǎn)技術(shù)條件較好的礦井開(kāi)始在工作面兩巷超前支護(hù)區(qū)域進(jìn)行液壓支架應(yīng)用試驗(yàn)[20-21]，并取得較好的支護(hù)效果。

第4階段為2005年至今，2004年以來(lái)，我國(guó)煤礦裝備與開(kāi)采技術(shù)逐漸達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，高性能液壓支架國(guó)產(chǎn)化研制已經(jīng)成功，并開(kāi)發(fā)了適用于不同頂板條件、煤層厚度及產(chǎn)狀的多種綜采液壓支架。與此同時(shí)，適用于不同地質(zhì)條件、巷道形狀及支護(hù)方式的巷道超前支護(hù)液壓支架也逐漸研制成功，使用巷道液壓支架進(jìn)行支護(hù)工藝改革的礦井逐漸增多。

各階段內(nèi)我國(guó)巷道支護(hù)技術(shù)及裝備發(fā)展均嚴(yán)重滯后于工作面，造成了兩巷支護(hù)水平顯著低于工作面。目前我國(guó)工作面已普及應(yīng)用液壓支架，而兩巷支護(hù)形式依舊以單體液壓支柱支護(hù)為主，考慮到工作面與兩巷的礦壓差異，工作面與兩巷支護(hù)水平面臨明顯不匹配問(wèn)題。

3.2 單體液壓支柱加劇了兩巷與工作面支護(hù)不匹配

為比較工作面與兩巷支護(hù)差異，分析兩者支護(hù)匹配情況，以綜采工作面液壓支架、巷道超前支護(hù)液壓支架和巷道單體液壓支柱等典型支護(hù)形式為例，從支護(hù)強(qiáng)度、護(hù)頂效果以及支護(hù)穩(wěn)定性3個(gè)方面進(jìn)行分析。

1)支護(hù)強(qiáng)度匹配分析。在支護(hù)強(qiáng)度方面，如圖5所示，綜采工作面圍巖支護(hù)強(qiáng)度顯著大于兩巷超前支護(hù)強(qiáng)度。綜采工作面液壓支架支護(hù)強(qiáng)度一般能達(dá)到1.0～1.8 MPa，目前國(guó)內(nèi)頂板支護(hù)強(qiáng)度最大的液壓支架型號(hào)為ZY26000/40/88D，頂板支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.71～1.83 MPa。由于巷道超前支護(hù)液壓支架需要同時(shí)考慮通風(fēng)、行人及設(shè)備移動(dòng)等多個(gè)問(wèn)題，單個(gè)液壓支架所需支護(hù)的巷道頂板范圍通常大于工作面支架，這導(dǎo)致兩巷超前支護(hù)液壓支架對(duì)頂板的平均支護(hù)強(qiáng)度要小于工作面支架對(duì)頂板的支護(hù)強(qiáng)度，支架支護(hù)強(qiáng)度一般小于1 MPa。巷道單體液壓支柱支護(hù)阻力一般為150～300 kN[22]，間排距為1 m×1 m時(shí)的支護(hù)強(qiáng)度為0.15～0.3 MPa，支護(hù)強(qiáng)度明顯弱于巷道液壓支架，加劇了工作面與兩巷支護(hù)強(qiáng)度的不匹配。

圖5 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Support strength comparison of different supporting structures

2)護(hù)頂效果匹配分析。在護(hù)頂效果方面，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度一定時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與頂板接觸面積增大，能提高頂板主動(dòng)支護(hù)荷載分布均勻性，避免局部應(yīng)力集中或支護(hù)力不足。如圖6所示，以內(nèi)蒙古某礦井下工作面及兩巷支護(hù)材料參數(shù)為例進(jìn)行對(duì)比。綜采工作面液壓支架頂梁尺寸為4 325 mm×1 750 mm，單架頂梁接頂面積占平均控頂區(qū)域面積的83.58%；巷道超前支護(hù)液壓支架頂梁尺寸為7 245 mm×1 200 mm，單架雙頂梁接頂面積占支護(hù)巷道頂板面積的48%；巷道單體液壓支柱配合柱帽或金屬梁使用，柱帽直徑為?300 mm，金屬梁長(zhǎng)寬為2 800 mm×100 mm，與頂板接觸面積分別占支護(hù)巷道頂板面積的4.24%、5.6%。因此，從支護(hù)結(jié)構(gòu)接頂面積這一角度，單體液壓支柱接頂效果最差，加劇了工作面與兩巷支護(hù)護(hù)頂效果的不匹配。

3)支護(hù)穩(wěn)定性匹配分析。在支護(hù)穩(wěn)定性方面，綜采工作面液壓支架穩(wěn)定性也要顯著高于巷道超前支護(hù)液壓支架與巷道單體液壓支柱。綜采工作面液壓支架重心低，接頂面積大，相鄰液壓支架連接緊密，支架在支護(hù)和移動(dòng)過(guò)程中具有很高的穩(wěn)定性，不容易發(fā)生側(cè)翻、傾倒。巷道超前支護(hù)液壓支架重心低，有較大接頂面積，相鄰支架為前后連接，具有較高的穩(wěn)定性，但在一些底鼓、頂板不平整圍巖條件較差的巷道中，支架穩(wěn)定性有待優(yōu)化。巷道單體液壓支柱重心高，接頂面積小，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，穩(wěn)定性較差。國(guó)內(nèi)礦井曾發(fā)生過(guò)多起單體液壓支柱傷人安全責(zé)任事故，柱體搬運(yùn)、升降、補(bǔ)液及架金屬梁等環(huán)節(jié)均存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。采用安全繩等措施能有效防止單體液壓支柱傾倒傷人，但不能從根本上解決單體液壓支柱支護(hù)強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差及需要多人協(xié)作安裝的缺點(diǎn)，且其由于支護(hù)能力不足易引發(fā)冒頂、沖擊地壓等事故。

因此，從支護(hù)強(qiáng)度、護(hù)頂效果以及支護(hù)穩(wěn)定性等方面，工作面支護(hù)均優(yōu)于兩巷支護(hù)，與巷道超前支護(hù)液壓支架相比，單體液壓支柱支護(hù)強(qiáng)度低、護(hù)頂效果與穩(wěn)定性差，加劇了工作面與兩巷支護(hù)的不匹配。

4 支護(hù)對(duì)巷道沖擊地壓影響分析

4.1 巷道圍巖力學(xué)模型

隨著工作面支護(hù)質(zhì)量的提高，兩巷成為采場(chǎng)沖擊地壓發(fā)生的主要區(qū)域。不同礦井工程地質(zhì)條件差異導(dǎo)致巷道應(yīng)力環(huán)境及斷面形狀存在較大差異，為了抓住巷道沖擊地壓發(fā)生的本質(zhì)，將巷道簡(jiǎn)化為半徑為r=a的圓形硐室，巷道在無(wú)限遠(yuǎn)處受靜水壓力P作用，巷內(nèi)支護(hù)阻力為pS，建立如圖7所示的平面應(yīng)變模型。

σc、εc—煤巖體峰值強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)應(yīng)變；E—彈性模量；λ—峰后階段煤巖體塑性軟化模量；ρ—塑性軟化區(qū)半徑；εu—煤巖體塑性軟化區(qū)內(nèi)最大應(yīng)變圖7 巷道圍巖力學(xué)模型Fig.7 Mechanical model of entry surrounding rock

平衡方程為

(1)

幾何方程為

(2)

式中：σr和σθ分別為徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力；u為徑向位移；εr和εθ分別為徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變。

由煤礦井下圍巖變形規(guī)律，巷道圍巖分區(qū)可分為塑性軟化區(qū)和彈性區(qū)，因此煤巖體本構(gòu)采用雙線性本構(gòu)模型。假設(shè)軟化區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生損傷演化，損傷變量D和等效應(yīng)變?chǔ)懦示€性關(guān)系，由圖7中煤巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可知，煤巖體損傷演化方程可表示為

(3)

將單軸應(yīng)變推廣至三軸應(yīng)變情況，煤巖體損傷演化方程變?yōu)?/p>

(4)

(5)

(6)

代入式(4)，進(jìn)一步得到軟化區(qū)內(nèi)損傷演化方程：

(7)

4.2 巷道沖擊地壓發(fā)生理論解

對(duì)建立的巷道圍巖力學(xué)模型進(jìn)行求解，文獻(xiàn)[23]給出了沖擊地壓發(fā)生理論的具體求解過(guò)程。

假設(shè)彈性與軟化區(qū)交界處滿足摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則：

σθ=mσr+σc

(8)

彈性區(qū)徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σθ為

(9)

σθ=mσr+(1-D)σc

(10)

定義沖擊傾向性指數(shù)K=λ/E，則K在線性條件下相當(dāng)于煤巖體沖擊傾向性指標(biāo)中的沖擊能量指數(shù)。

在巷道圍巖表面r=a處，滿足邊界條件σr|r=a=pS，得軟化區(qū)內(nèi)徑向應(yīng)力分量為

(11)

由r=ρ處徑向應(yīng)力連續(xù)條件，可得

(12)

考慮遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力擾動(dòng)，根據(jù)沖擊地壓發(fā)生的擾動(dòng)響應(yīng)判別準(zhǔn)則dP/dρ=0，可得發(fā)生沖擊地壓時(shí)的臨界軟化區(qū)半徑ρcr

(13)

將式(13)代入式(12)可得，發(fā)生沖擊地壓時(shí)的臨界載荷Pcr

(14)

4.3 支護(hù)對(duì)巷道沖擊地壓的影響

由式(13)可知，一般情況下支護(hù)阻力pS與軟化模量λ相差兩個(gè)以上數(shù)量級(jí)，因此支護(hù)阻力對(duì)臨界軟化區(qū)深度的影響很小，可以忽略不計(jì)。

由式(14)可知，支護(hù)阻力對(duì)沖擊地壓發(fā)生臨界載荷有較大影響。對(duì)于φ=30°(m=3) 的情況，有

(15)

由上述公式可見(jiàn)，隨著支護(hù)阻力提高，沖擊地壓發(fā)生臨界載荷增加。因此，采煤工作面兩巷進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)，增大巷道支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)于預(yù)防沖擊地壓發(fā)生，維持巷道穩(wěn)定性至關(guān)重要。采用支護(hù)強(qiáng)度與支護(hù)剛度更高的巷道超前支護(hù)液壓支架替換傳統(tǒng)的“單體液壓支柱+頂梁”支護(hù)形式能有效提高兩巷超前支護(hù)效果，縮小工作面與兩巷超前支護(hù)不匹配程度，是減少工作面兩巷災(zāi)害事故和實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)的必要途徑。

5 兩巷超前液壓支護(hù)設(shè)計(jì)

5.1 適應(yīng)我國(guó)巷道條件的液壓支架類型

我國(guó)巷道條件多樣、復(fù)雜，參照工作面液壓支架分類方法，對(duì)巷道超前支護(hù)液壓支架進(jìn)行分類(表1)，討論適應(yīng)我國(guó)巷道條件的支架特征、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。

表1 巷道超前支護(hù)液壓支架分類Table 1 Classification of hydraulic support for advance support of roadway

1)按支架與圍巖作用關(guān)系分類。巷道超前支護(hù)液壓支架按照與圍巖作用關(guān)系可分為支撐式支架、支撐掩護(hù)式支架，前者又名垛式支架，二者的區(qū)別在于是否有掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)。支撐掩護(hù)式支架具有支撐式支架支護(hù)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)，掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)增加了支架的穩(wěn)定性，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用更為廣泛，常作為大采高綜采工作面兩巷超前支護(hù)液壓支架的基本架型。

2)按支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)分類。巷道超前支護(hù)液壓支架按照穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可分為無(wú)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)支架、四連桿/反四連桿式支架、伸縮桿(箱)式支架以及其他穩(wěn)定機(jī)構(gòu)式支架。其中，四連桿式支架由于穩(wěn)定性高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最廣泛，其次為伸縮桿(箱)式支架和無(wú)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)支架。其他類的支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)多配合四連桿機(jī)構(gòu)使用，以增強(qiáng)支架穩(wěn)定性。

3)按支架移動(dòng)方式分類。巷道超前支護(hù)液壓支架按照移動(dòng)方式可分為自移式支架和循環(huán)式支架2類。自移式支架目前主要為邁步式移動(dòng)，推移千斤頂控制支架每次向前移動(dòng)一個(gè)步距，其余支架也要向前移動(dòng)1次，對(duì)頂板形成反復(fù)支撐。雖然降低支架初撐力可減弱對(duì)頂板的破壞，但無(wú)法徹底解決反復(fù)支撐問(wèn)題[24]。循環(huán)式支架采用大循環(huán)移動(dòng)方式對(duì)工作面兩巷超前區(qū)域進(jìn)行支護(hù)，即隨著工作面向前回采，最靠近工作面煤壁處的支架移動(dòng)至支護(hù)區(qū)域最外側(cè)并進(jìn)行重新支護(hù)，相鄰支架按此方式依次向前循環(huán)，整個(gè)過(guò)程支架只對(duì)頂板支撐1次。

4)按支架防沖性能分類。巷道超前支護(hù)液壓支架按支架防沖性能可分為普通液壓支架和吸能防沖液壓支架。雖然提高巷道液壓支架支護(hù)阻力有利于提高巷道發(fā)生沖擊地壓的臨界應(yīng)力，減少?zèng)_擊地壓發(fā)生次數(shù)。但當(dāng)沖擊能量較大時(shí)，常規(guī)液壓支架通常由于泄壓閥來(lái)不及打開(kāi)而導(dǎo)致支架過(guò)載破壞，產(chǎn)生更嚴(yán)重的巷道破壞[11]。針對(duì)這一問(wèn)題，潘一山等[25-27]提出提高支護(hù)剛度和快速吸能讓位支護(hù)的沖擊地壓巷道支護(hù)設(shè)計(jì)思路，并研發(fā)了系列吸能防沖液壓支架。

吸能防沖液壓支架安裝有吸能裝置，與普通巷道液壓支架的形狀、尺寸及使用方法基本相同。吸能裝置是吸能防沖液壓支架的最核心部件，在正常支護(hù)荷載下幾乎不發(fā)生變形，使支架與普通支架正常工作狀態(tài)無(wú)異，而在較大沖擊地壓發(fā)生時(shí)能夠快速恒阻吸能讓位，保證支架液壓立柱等關(guān)鍵支撐部位不發(fā)生破壞，對(duì)巷道支護(hù)系統(tǒng)形成保護(hù)，并且支架在沖擊發(fā)生后能夠繼續(xù)發(fā)揮正常支護(hù)作用。幾種常見(jiàn)類型的吸能防沖液壓支架如圖8所示，在沖擊地壓動(dòng)載作用下，支架吸能讓位啟動(dòng)值一般為1.25～1.50倍的工作阻力，讓壓速率為1～5 m/s，最大縱向沖擊讓位吸收能量為550～1 698 kJ。

5.2 巷道液壓支護(hù)設(shè)計(jì)方法

第1步，沖擊地壓類型確定。沖擊地壓類型確定是進(jìn)行巷道防沖支護(hù)設(shè)計(jì)的前提，根據(jù)發(fā)生機(jī)制和特點(diǎn)不同，沖擊地壓可分為煤體壓縮型、頂板斷裂型和斷層錯(cuò)動(dòng)型3種類型[18]。若巷道具有沖擊危險(xiǎn)性，應(yīng)結(jié)合周邊礦區(qū)沖擊地壓發(fā)生歷史，根據(jù)煤層沖擊傾向性、巖體應(yīng)力、開(kāi)采深度、地應(yīng)力、覆巖空間結(jié)構(gòu)、開(kāi)采布局以及開(kāi)采擾動(dòng)等因素，綜合確定巷道沖擊地壓類型。

第2步，礦井發(fā)生沖擊地壓最大釋放能量計(jì)算。沖擊地壓釋放能量可根據(jù)微震監(jiān)測(cè)歷史最大能量進(jìn)行確定，或采用理論計(jì)算進(jìn)行確定。不同類型沖擊地壓能量釋放主體與能量釋放大小均有所差異，文獻(xiàn)[28]分別給出了3種類型沖擊地壓釋放能量計(jì)算方法。以頂板型沖擊地壓為例，采空區(qū)堅(jiān)硬基本頂在臨界跨度下貯存能量為

(16)

(17)

式中：Pd為基本頂自重和上覆巖層荷載，MPa；H為基本頂厚度，m；Et為巖層拉伸彈性模量，GPa；σt為巖石拉伸強(qiáng)度，MPa；ms為彈性地基剛度系數(shù)。

假設(shè)能量全部釋放，根據(jù)球面波傳播規(guī)律，并考慮衰減情況，巷道超前支護(hù)范圍內(nèi)接收到的沖擊能量為

(18)

式中：α2為折減系數(shù)；x1為震源點(diǎn)距巷道端頭距離，m；x2為震源點(diǎn)距巷道超前支護(hù)區(qū)域末端距離，m；R為震源點(diǎn)距巷道超前支護(hù)區(qū)域某點(diǎn)距離,m。

假設(shè)巷道接收的沖擊能量全部由液壓支架吸收，則液壓支架吸能能力應(yīng)滿足：

(19)

式中：Es為支架總的吸收能量，kJ；Ei為單個(gè)支架的吸收能量，kJ；n為超前支護(hù)區(qū)域內(nèi)液壓支架數(shù)量，個(gè)。

第3步，支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)長(zhǎng)度確定。綜合考慮巷道現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)條件、圍巖變形破壞、應(yīng)力分布及工作面回采等多個(gè)因素，確定工作面超前支護(hù)區(qū)域內(nèi)巷道所需支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)范圍等參數(shù)。

1)超前支護(hù)強(qiáng)度確定。支護(hù)強(qiáng)度可根據(jù)自然平衡拱理論、直接頂重力以及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行確定。以按直接頂重力確定支護(hù)強(qiáng)度為例，巷道超前支護(hù)液壓支架支護(hù)強(qiáng)度pz為

(20)

式中：q為巷道承受直接頂重力，kN；Fg為頂板錨桿提供的支護(hù)阻力，kN；Fs為頂板錨索提供的支護(hù)阻力，kN；Kd為巷道動(dòng)載系數(shù)；h為頂板破壞高度，m；b為巷道寬度，m；γ為頂板破壞高度范圍內(nèi)煤巖體容重，kN/m3；α1為煤層傾角，(°)；ηg、ηs為錨桿、錨索支護(hù)效率，%；ng、ns為單位長(zhǎng)度巷道頂板的錨桿、錨索數(shù)量；Ng、Ns為錨桿、錨索支護(hù)破斷力，kN。

2)超前支護(hù)范圍確定。隨著開(kāi)采深度增大，工作面超前支承壓力影響范圍增加，兩巷所需加強(qiáng)支護(hù)范圍從幾十米逐漸增大至上百米。《煤礦安全規(guī)程》[29]規(guī)定：“采煤工作面與巷道連接處超前壓力影響范圍內(nèi)必須加強(qiáng)支護(hù)，且加強(qiáng)支護(hù)的巷道范圍不小于20 m”。2019年5月，《國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》[30]對(duì)沖擊地壓工作面超前支護(hù)范圍提出了進(jìn)一步要求： “具有沖擊危險(xiǎn)的采煤工作面安全出口與巷道連接處超前支護(hù)范圍不得小于70 m，綜采放頂煤工作面或具有中等及以上沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的采煤工作面安全出口與巷道連接處超前支護(hù)范圍不得小于120 m。”合理的超前支護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工作面回采過(guò)程中的實(shí)測(cè)礦壓規(guī)律進(jìn)行確定，超前支護(hù)范圍應(yīng)超過(guò)采動(dòng)超前影響范圍或顯著影響范圍。

第4步，結(jié)合巷道形狀、尺寸及頂板條件確定支架類型。

1)分析巷道斷面大小及形狀對(duì)支護(hù)的要求，大斷面矩形巷道高度多在3.2 m以上，對(duì)多種類型支架適應(yīng)性較強(qiáng)，小斷面、非矩形巷道則對(duì)支架尺寸與支護(hù)結(jié)構(gòu)有特殊要求。考慮到局部區(qū)域頂板不平等因素對(duì)巷道高度的影響，液壓支架支撐頂板時(shí)應(yīng)留有一定的立柱伸縮余量，避免支架因頂板下沉而被壓死或因巷道高度變大而無(wú)法接頂，以液壓立柱在最大行程的2/3時(shí)恰好能支撐頂板最為適宜。

即

(21)

式中：S1為支架最小支撐高度，m；S2為支架最大支撐高度，m；H1為巷道平均高度，m。

2)分析巷道支護(hù)頂板條件，若頂煤較硬且完整性較好，優(yōu)先選用自移式支架，如自移式的垛式和四連桿式支架。若頂煤較弱，反復(fù)支撐易破碎，則優(yōu)先采用循環(huán)式支架。

第5步，確定支架型號(hào)與具體支護(hù)參數(shù)。根據(jù)支架類型篩選結(jié)果，結(jié)合巷道超前支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)距離要求，確定最終的支架型號(hào)與支架數(shù)量、初撐力、支護(hù)高度、移架方式等多個(gè)具體支護(hù)參數(shù)。

5.3 巷道液壓支護(hù)設(shè)計(jì)算例

鄂爾多斯某礦403工作面開(kāi)采3-1煤層，3-1煤層厚度約6 m，煤層附近上方巖層依次為砂質(zhì)泥巖(厚19.7 m)、粉砂巖(厚6.2 m)、粗粒砂巖(厚16.8 m)、中粒砂巖(厚22 m)、砂質(zhì)泥巖(厚14 m)、粉砂巖(厚8 m)以及砂質(zhì)泥巖(厚6 m)。其中，中粒砂巖層為頂板運(yùn)動(dòng)主控巖層。403工作面回風(fēng)巷經(jīng)評(píng)價(jià)整體具有中等沖擊危險(xiǎn)性，工作面超前區(qū)域需要采用巷道超前支護(hù)液壓支架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。巷道超前液壓支護(hù)設(shè)計(jì)及支架選型過(guò)程如下：第1步，沖擊地壓類型確定。根據(jù)礦井煤巖沖擊傾向性鑒定、礦井沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)以及歷史動(dòng)力顯現(xiàn)等資料，判斷煤層上方厚層基本頂破斷運(yùn)動(dòng)是工作面開(kāi)采過(guò)程中動(dòng)力顯現(xiàn)的主要原因，工作面沖擊地壓類型為頂板斷裂型。第2步，沖擊地壓能量計(jì)算。鄰近工作面基本頂實(shí)測(cè)初次來(lái)壓步距為40～60 m，考慮到不同工作面頂板破斷可能存在差異，臨界采空區(qū)跨度取80 m，基本頂厚度取22 m，彈性地基剛度系數(shù)取1.0 GPa，巖層拉伸彈性模量取1.5 GPa，巖層承受均布荷載按基本頂巖層及上方隨動(dòng)巖層自重荷載取2 MPa。根據(jù)式(16)計(jì)算得到基本頂巖層在臨界采空區(qū)跨度條件下斷裂釋放的能量Π=1.871×108J。

假設(shè)頂板斷裂震源位置在基本頂巖層中部，位于工作面出口正上方53.7 m，根據(jù)幾何關(guān)系，震源點(diǎn)距巷道端頭距離x1為53.7 m，震源距巷道0～120 m超前支護(hù)區(qū)域末端距離x2為131.5 m。根據(jù)球面波傳播規(guī)律，并考慮衰減情況，折減系數(shù)α2取0.3，巷道超前支護(hù)范圍內(nèi)接收到的沖擊能量為

假設(shè)巷道接收的沖擊能量全部由液壓支架吸收，則超前支護(hù)范圍內(nèi)液壓支架總吸收能量應(yīng)滿足：

第3步，支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍確定。①超前支護(hù)強(qiáng)度確定。根據(jù)相鄰工作面開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)，巷道動(dòng)載系數(shù)Kd取3，巷道寬度b取5 m，頂板破壞高度h取頂板錨索長(zhǎng)度6.3 m，包括厚2.4 m的頂煤和厚3.9 m砂質(zhì)泥巖，頂煤和砂質(zhì)泥巖的容重y分別取14、26 kN/m3，煤層傾角α1取0°，錨桿、錨索支護(hù)效率ηg和ηs分別取40%和60%，每排錨桿、錨索數(shù)量分別為6根和3根，錨桿破斷力取150 kN，錨索破斷力取320 kN。根據(jù)式(19)，單排巷道長(zhǎng)度上的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度pz至少應(yīng)為886.5 kN。換算成對(duì)巷道頂板平均支護(hù)強(qiáng)度為0.2 MPa。②超前支護(hù)范圍確定。相鄰工作面沿空側(cè)巷道實(shí)測(cè)礦壓顯現(xiàn)影響范圍約為112 m，因此超前支護(hù)范圍取為120 m。

第4步，結(jié)合巷道形狀、尺寸及頂板條件確定支架類型。巷道為大斷面矩形巷道，巷道凈寬5 m，凈高3.6 m，考慮到巷道頂?shù)装宀黄綄?dǎo)致的巷道高度差異，結(jié)合式(20)對(duì)液壓支架高度的要求，支架支撐高度選為2 800～4 500 mm。為了增大支架與頂板接觸面積，支架伸展寬度應(yīng)盡量大于巷道寬度的1/2，支架支撐寬度選為3 000 mm。巷道頂煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為29 MPa，較為堅(jiān)硬且完整性較好，巷道頂板平整，支架選擇自移式的垛式支架。

第5步，確定支架型號(hào)與具體支護(hù)參數(shù)。根據(jù)前4步對(duì)支架類型篩選結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程條件，最終選取ZZ14000/28/45型防沖吸能液壓支架，數(shù)量14架，布置于工作面超前0～120 m。主要技術(shù)參數(shù)如下：支架類型：四柱支撐掩護(hù)式吸能防沖液壓支架；運(yùn)輸尺寸5 050 mm×1 600 mm×2 200 mm；支護(hù)高度2 800～4 500 mm；支架寬度1 600 mm；初撐力7 754 kN；工作阻力14 000 kN；支護(hù)強(qiáng)度0.33 MPa；底板平均比壓1.96 MPa；縱向沖擊讓位吸收能量3 762 kJ；縱向沖擊讓位平均阻力16 800 kN；經(jīng)驗(yàn)算，單個(gè)巷道液壓支架支護(hù)頂板面積為42.85 m2，則支架平均支護(hù)強(qiáng)度p′=0.33 MPa>0.2 MPa。單架吸收能量3 762 kJ，超前支護(hù)范圍內(nèi)支架總吸收能量Es=5.27×107J>4.18×107J。因此，支護(hù)強(qiáng)度與吸收能量均滿足要求。

6 結(jié) 論

1)相比于工作面礦壓，兩巷應(yīng)力集中程度更高、采動(dòng)影響范圍更大、圍巖變形破壞更嚴(yán)重。巷道對(duì)支護(hù)的要求更高，支護(hù)難度也更大。理論分析結(jié)果表明，增大支護(hù)強(qiáng)度可提高巷道發(fā)生沖擊地壓臨界荷載，增加巷道安全性。

2)目前工作面支護(hù)水平顯著高于兩巷支護(hù)水平，兩巷超前區(qū)域普遍采用的單體液壓支柱支護(hù)強(qiáng)度低、護(hù)頂效果與穩(wěn)定性較差。巷道超前支護(hù)液壓支架替換單體液壓支柱是提高兩巷超前支護(hù)效果，減少工作面兩巷沖擊地壓事故必然選擇。

3)采用分類研究方法，討論了適應(yīng)我國(guó)巷道條件的液壓支架類型、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件?；跊_擊地壓類型、巷道釋放能量計(jì)算、巷道形狀尺寸以及頂板條件等因素，提出兩巷超前液壓支護(hù)設(shè)計(jì)方法。