劉玉衛(wèi),商鐵林,張 沛,張亞峰,龔 劍,劉應(yīng)然

(1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院, 河南 鄭州 450044；2.鄭煤集團工程技術(shù)研究院, 河南 鄭州 450042；3.榆林學(xué)院, 陜西 榆林 719000；4.西安科技大學(xué), 陜西 西安 710054)

“三軟”煤層巷道的支護問題一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)一大技術(shù)難題，由于其圍巖條件差，支護不當，易造成巷道失穩(wěn)破壞。過去對軟巖巷道頂板圍巖的研究較多，如最初的普氏壓力拱假說(1907)和太基公式(1942)、卡斯特納公式(1948)[1]，后來考慮支護體與圍巖作用關(guān)系的錨桿支護方式——“組合梁、加固拱”等理論[2]，以及近年來的圍巖松動圈理論[3-4]、關(guān)鍵圈理論[5]等，這些理論主要從頂板的破壞為出發(fā)點加以研究，而從底板研究”三軟”煤層巷道的理論相對較少。最早研究巷道底鼓的是前蘇聯(lián)的秦巴列維奇N·M[5]，認為巷道底鼓可看作是兩個壓模傳遞給松散體的底板上的荷載作用下壓出的現(xiàn)象；德國的奧頓哥特M[6]則認為，巷道兩幫巖體在垂直應(yīng)力的作用下被壓裂，巷道頂?shù)装逶谒綉?yīng)力的作用下向巷道內(nèi)鼓出；曲永新[7]等人認為巷道底鼓的本質(zhì)是底板泥巖的遇水膨脹；康紅普[8]認為巷道底鼓的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)的壓曲，偏應(yīng)力作用下的擴容以及巖石遇水膨脹；賀永年、何亞男[9]認為底鼓是由于巷道兩幫巖柱傳遞頂板壓力，兩幫圍巖在擠壓底板的同時一起下沉，底板在嚴重擠壓變形的情況下發(fā)生斷裂,然后底板隆起。本文綜合國內(nèi)外以往對底鼓機理的研究成果，在不考慮遇水膨脹的情況下，且將”三軟”煤層巷道圍巖看作抗拉、抗彎、抗剪能力都極其微弱的理想松散體加以研究。

1 底板破壞深度計算

不考慮遇水膨脹情況下，巷道在開挖后底板巖層局部應(yīng)力得到卸載，其它應(yīng)力則主要通過巷道兩側(cè)幫巖體向下進行傳遞，假設(shè)巷道底板兩側(cè)幫內(nèi)受重力均布荷載q=γH的作用(理想狀態(tài)下左右均布對稱)，按照朗肯土壓力理論，底板巖體在均布荷載q的作用下，MFD區(qū)巖體會處于主動塑性應(yīng)力狀態(tài)，而MOD區(qū)巖體則處于被動塑性應(yīng)力狀態(tài)，這樣會產(chǎn)生向上的底板圍巖擠壓應(yīng)力T，當擠壓應(yīng)力超過底板巖體的屈服強度時，導(dǎo)致OD面破壞，底板就會產(chǎn)生向巷道內(nèi)的塑性變形，向上隆起或者擠壓流入到巷道內(nèi)造成底鼓，受力模型[10-12]如圖1所示。

圖1 巷道右側(cè)底板受力分析

當巷道巖體處于極限平衡狀態(tài)時，主動塑性應(yīng)力區(qū)MDF的滑動面MF與水平線的夾角為45°+φ/2，被動塑性應(yīng)力區(qū)域MDO的滑動面MO與水平線的夾為45°-φ/2。假定MD為理想中的分界面，根據(jù)朗肯土壓力理論[12]，則MD分界面上各點上所受的主動應(yīng)力和被動應(yīng)力分別為：

在M點以上的MD范圍內(nèi)，因為σa>σp，底板巖體處于塑性應(yīng)力狀態(tài)；在M點以下，σa<σp，底板巖體處于彈性應(yīng)力狀態(tài)；在M點處，σa=σp，底板巖體處于極限平衡狀態(tài)。在M點極限平衡狀態(tài)時，可求得巷道底板極限破壞深度y，即，當σa=σp時，有γ·yKp=(q+γ·y)Ka，整理得：

2 巷道底板底鼓量公式推導(dǎo)

由上式可知[10-12]，在底板下部y以上的巖體將有可能發(fā)生向上鼓起，而y以下的巖體將不會出現(xiàn)移動。當極限平衡狀態(tài)被打破以后，MDF區(qū)域的巖體處于主動滑移壓力狀態(tài)，而MOD區(qū)域的巖體處于被動受壓應(yīng)力狀態(tài)，MD上所受的主動壓力P1和被動壓力P2的差值，就是推動MOD區(qū)域巖體向左滑動的實際推力Δp，則有：

Δp=p1-p2

則沿滑動面MO的有效滑移力T1為：

T1=T-Ntanφ

當T1>[T]時，其中[T]為巖體的最大抗剪強度，底板巖體發(fā)生底鼓破壞。

圖2 巷道底板綜合受力分析

巷道底板兩側(cè)滑動面以上的有效滑動力分別為T、T＇，它們的合力為巷道的底壓力P＇，T、T＇在x和y軸上的分力分別是px和py；

則底壓力p＇為：

3 實例及應(yīng)用

以鄭煤集團公司告成煤礦21051工作面回采巷道為例，求巷道底板破壞范圍及底鼓量，21051工作面下副巷平均埋深約460 m。主采二1煤層，厚度4.2 m，傾角約10°，結(jié)構(gòu)簡單。煤層直接頂中下部為細粒砂巖，老頂為中細粒長石、石英砂巖，厚7 m左右；底板為砂質(zhì)泥巖，厚5.1 m。21051工作面下副巷斷面為直墻半圓拱型，斷面寬5 000 mm，高4 300 mm，凈斷面約13.0 m2。

3.1 錨網(wǎng)支護基本參數(shù)

原巖應(yīng)力：q=γh=0.023×460=10.6 MPa。

煤層：抗壓強度σc=2.6 MPa，抗拉強度σt= 0.31 MPa。

綜合頂?shù)装逍再|(zhì)：抗壓強度σc=105 MPa，抗拉強度σt=6.8 MPa。

巷道：巷幫高度hw=1.8 m，寬度W0=5.0 m。

3.2 巷道頂板破壞高度確定

借助西安科技大學(xué)黃慶享教授的極限平衡拱公式[13-14]，求巷道頂板的破壞深度。

平衡拱：

極限平衡拱：

3.3 巷道底板破壞深度計算

γ取2 600 kg/m3；均布荷載q取q=10.6 MPa；巖體的單軸抗壓強度σc為105 MPa；φ經(jīng)計算取為84.6°；主動土壓力系數(shù)Ka經(jīng)過計算為0.2；被動土壓力系數(shù)Kp經(jīng)過計算為0.67。

則巷道底板計算的最大破壞深度為：

計算巷道的底鼓μ的公式為：

由于p＇是T和T＇的合力，求解p＇得：

在y=y＇時，求得

=2×107kN；

3.4 確定錨桿長度和間排距

根據(jù)自穩(wěn)平衡拱高度為2.5 m，極限狀態(tài)平衡拱為3.0 m，因此可設(shè)計錨桿長度為2.8 m。按照錨桿支護的組合拱理論，在軟巖條件下設(shè)計形成組合拱厚度為2.0 m。

則錨桿間排距a取值為：a=l-b-c=2.8-2.0-0.1=0.7 m。

式中：l為錨桿長度；b為組合拱厚度；c為錨尾外露長度。

因此，確定錨桿長度為2 800 mm，錨桿間距和排距均為700 mm。

根據(jù)底板破壞公式的計算，確定底板加強錨桿的長度為2 000 mm。

3.5 錨網(wǎng)支護布置方案

巷道斷面支護方案見圖3。

圖3 巷道斷面支護方案

3.6 圍巖松動圈測試

采用YTJ20型巖層探測記錄儀，對告成煤礦21051工作面回采巷道圍巖進行松動圈測試。在21051工作面回采共布置兩個測點，見圖4。

圖4 松動圈測點布置位置

從測點1(見圖5)測試結(jié)果可以看出，煤體的最高聲速為2 139 m/s，而最低聲速為947 m/s波速隨孔深均有逐漸增大的趨勢，在距孔口1.6 m左右范圍內(nèi)波速較小，距孔口距離大于1.6 m的區(qū)域波速較大，并且波速基本相對恒定在1 720 m/s左右。分析得出，距離孔口大于1.6 m的區(qū)域煤體較完整，沒有受到擾動，而小于1.6 m的區(qū)域裂隙較發(fā)育，所以由圖5初步確定煤幫的松動范圍為1.6 m左右。

圖5 測點1聲波傳播速度趨勢

從測點2(見圖6)測試結(jié)果可以看出，煤體的最高聲速為1 984 m/s，而最低聲速為956 m/s波速隨孔深均有逐漸增大的趨勢，在距孔口1.4 m左右范圍內(nèi)波速較小，距孔口距離大于1.4 m的區(qū)域波速較大，并且波速基本相對恒定在1 350 m/s左右。分析得出，距離孔口大于1.4 m的區(qū)域煤體較完整，沒有受到擾動，而小于1.4 m的區(qū)域裂隙較發(fā)育，所以由圖6可以初步確定煤幫的松動范圍為1.4 m左右。素描圖見圖7。

圖6 測點2聲波傳播速度趨勢

圖7 松動圈測試素描

由松動圈測試得到底板的破壞在1.6 m左右，結(jié)合理論分析計算可知，底板破壞深度基本一致。

3.7 支護效果檢驗

按照3.5節(jié)是錨網(wǎng)布置方案，進行現(xiàn)場圍巖監(jiān)測。在相鄰的21051上副巷設(shè)置3個測點，監(jiān)測結(jié)果如下。

通過巷道底板治理前后監(jiān)測曲線表明(圖8)，采用設(shè)計優(yōu)化方案后，巷道底鼓量明顯降低，底板穩(wěn)定得到了較好的控制。

圖8 底鼓變形量曲線

4 結(jié) 語

1) 對巷道底板破壞力學(xué)模型分析得到，底板的破壞深度隨有效滑移力的增大而增大，當破壞深度達到一定值后會引起幫的失穩(wěn)。

2) 當擠壓應(yīng)力超過底板巖體的屈服強度時，導(dǎo)致巷道底板破壞，底板就會產(chǎn)生向巷道內(nèi)變形，向上隆起或者擠壓流入到巷道內(nèi)造成底鼓。

3) 通過松動圈測試及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算作對比可知，實際底板破壞深度在1.6 m左右，發(fā)生的底鼓量在250 mm左右，這與理論計算值較為接近。

4) 基于理論計算的新方案設(shè)計能夠有效的控制巷道底板的變形破壞，有利于控制巷道圍巖穩(wěn)定，為“三軟”煤層巷道支護提供了新方案。