王保國

（山西潞安集團(tuán)潞寧忻峪煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036706）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)22117工作面位于二二采區(qū)，工作面傾斜長度235 m，走向長度1 460 m，開采2號煤層，煤層均厚4.3 m，平均傾角4°，屬穩(wěn)定煤層，一般不含夾石，局部含1層夾石；頂板巖層為炭質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖；工作面采用一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。22117回風(fēng)順槽主要為22117工作面提供通風(fēng)、行人及運(yùn)輸?shù)姆?wù)，巷道長度為1 460 m，巷道斷面為矩形，凈寬×凈高=6 000 mm×4 700 mm，巷道斷面相對較大，且頂?shù)装鍘r層較為軟弱，故為保障巷道在采動影響下圍巖變形量滿足使用要求，特進(jìn)行圍巖變形破壞機(jī)理及控制方案分析與設(shè)計。

2 圍巖變形破壞機(jī)理

2.1 圍巖變形破壞形式

1）兩幫變形破壞形式：回采巷道開挖后，巷道圍巖的應(yīng)力會重新分布，巷道兩幫會承載覆巖的自重載荷，兩幫圍巖強(qiáng)度較低時，圍巖在水平應(yīng)力的作用下發(fā)生彈塑性變形。進(jìn)而在圍巖內(nèi)形成彈性區(qū)域塑性區(qū)，淺部圍巖在應(yīng)力作用下出現(xiàn)拉裂破壞，淺部圍巖體的破壞會增大巷道的跨度，從而進(jìn)一步加大頂?shù)装宓淖冃?，兩幫圍巖變形破壞形式如圖1所示。

圖1 兩幫圍巖變形破壞示意圖

根據(jù)22117工作面回采順槽巖層賦存特征可知，巷道頂?shù)装鍘r層較為松軟，即頂?shù)装逑鄬Σ环€(wěn)定，在該狀態(tài)下兩幫變形形態(tài)如圖1（a）所示；另外巷道兩幫圍巖在水平應(yīng)力和覆巖荷載的作用下會出現(xiàn)一系列的剪切破壞，由于兩幫圍巖相對較軟弱，圍巖在應(yīng)力作用下會沿著節(jié)理面出現(xiàn)塑性剪切破壞，最終致使兩幫圍巖逐漸向巷道內(nèi)部移動變形[1-3]，具體變形形式如圖1（b）所示。

2）頂板變形破壞形式：回采巷道開挖后，頂板巖層在覆巖載荷和水平應(yīng)力的影響下，巖層會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖層自身所能承受的極限荷載時，此時頂板變形發(fā)生拉裂破壞[4]，根據(jù)22117回風(fēng)順槽兩幫圍巖不穩(wěn)定的特征，頂板巖層在應(yīng)力下拉伸變形、冒落形式如圖2（a）所示；頂板剪切破壞形式如圖2（b）所示。

圖2 頂板巖層拉裂和剪切破壞示意圖

2.2 變形破壞機(jī)理

根據(jù)22117回采順槽的地質(zhì)條件可知，巷道頂?shù)装鍘r層較為軟弱，巷道開挖后，應(yīng)力會重新分布，圍巖中的弱結(jié)構(gòu)體會在應(yīng)力作用下發(fā)生，進(jìn)一步變形即表現(xiàn)為圍巖的變形破壞，圍巖中的弱結(jié)構(gòu)體主要包括：巖性弱結(jié)構(gòu)、幾何弱結(jié)構(gòu)和應(yīng)力弱結(jié)構(gòu)[5]；結(jié)合22117回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，現(xiàn)主要對巖性弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立頂板復(fù)合巖性弱結(jié)構(gòu)受力力學(xué)模型如圖3所示，圖中l(wèi)為回采巷道的寬度；σh為頂板巖層所受的水平向地應(yīng)力；σv為巷道圍巖壓力；h為巷道的高度。

圖3 頂板弱結(jié)構(gòu)受力力學(xué)模型圖

根據(jù)圖3中的力學(xué)模型，可計算推導(dǎo)出巷道上下邊緣應(yīng)力的表達(dá)式為：

式中：σ為巷道上下邊緣應(yīng)力；M為最大彎矩值；W為頂板抗彎截面系數(shù)；k為側(cè)壓力系數(shù)；d為頂板巖層厚度；其余符合含義同上。

巷道在覆巖荷載作用下，取順槽方向單位厚度為研究對象，可計算得出頂板曲率半徑表達(dá)式為[6]：

式中：ρ為頂板曲率半徑；I為頂板的慣性矩，E為頂板圍巖的彈性模量。

在頂板巖層變形時，各個巖層的曲率半徑均相同，則有：

另外根據(jù)每個巖層所受彎矩之和即為總彎矩，即M=M1+M2+M3，結(jié)合式（2）～（3）可計算出各巖層彎矩表達(dá)式為：

進(jìn)一步結(jié)合式（4）和（1），可得出巷道上下邊緣的應(yīng)力表達(dá)式為：

分析式（5）可知，回采巷道頂板巖層的受力狀態(tài)主要受到水平地應(yīng)力和圍巖壓力的影響，在工程實踐中，回采巷道頂板的失穩(wěn)破壞即為水平地應(yīng)力和巷道圍巖壓力的共同作用結(jié)果，分析掌握圍巖的受力狀態(tài)是保障圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

3 圍巖控制方案及效果

3.1 圍巖控制方案

根據(jù)22117回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，結(jié)合上述圍巖變形破壞機(jī)理的分析結(jié)果，確定回風(fēng)順槽采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)如下：

1）頂板支護(hù)：采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為?22 mm×2 100 mm，間排距為1 000 mm×900 mm，采用數(shù)值加長錨固，預(yù)緊扭矩為250 N·m；錨索采用高強(qiáng)度低松弛1×7股鋼絞線，規(guī)格為?17.8 mm×6 500 mm，間排距為2 500 mm×1 800 mm，錨索布置在2排錨桿的中間部位，采用樹脂加長錨固，預(yù)緊力為150 k N，錨桿、錨索之間采用鋼筋梯子梁進(jìn)行連接，頂板表面采用8號鉛絲網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。

2）兩幫支護(hù)：回采幫采用玻璃鋼錨桿，規(guī)格為?22 mm×1 500 mm，間排距為1 000 mm×900 mm，錨固方式為端頭錨固，預(yù)緊力矩為150 N·m，為方便回采作業(yè)的進(jìn)行，表面采用塑料網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表；煤柱幫錨桿采用圓鋼錨桿，規(guī)格為?16 mm×1 500 mm，間排距為1 000 mm×900 mm，采用端頭錨固，預(yù)緊扭矩為150 N·m，表面采用8號鉛絲網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

具體22117回風(fēng)順槽的支護(hù)參數(shù)見圖4。

圖4 22117回風(fēng)順槽支護(hù)斷面圖

為確保22117回風(fēng)順槽支護(hù)方案的合理性，根據(jù)巷道的地質(zhì)條件，采用F LAC3D數(shù)值模擬軟件，建立長×寬×高=378 mm×100 mm×100 m的數(shù)值計算模型，固定模型底部位移，模型兩側(cè)固定其側(cè)向位移，在模型頂部施加自重載荷的應(yīng)力，并在水平方向施加水平荷載，模型建立完后，進(jìn)行巷道的開挖支護(hù)作業(yè)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠回風(fēng)順槽在現(xiàn)有支護(hù)方案下水平位移、豎直位移及塑性區(qū)分布狀態(tài)如圖5。

圖5 巷道圍巖位移及塑性區(qū)分布圖

分析圖5可知，巷道在該種支護(hù)方案下頂板下沉量和底板鼓起量的最大值分別為17.47 mm和11.81 mm，兩幫移近量的最大值為23.3 mm，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤^小，這即表明巷道采用該種支護(hù)方案可有效控制頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r的變形；另外從圖5中能夠看出，巷道在該種支護(hù)方案下頂板、底板及兩幫塑性區(qū)最大深度分別為1.5、0.3、0.9 m，塑性區(qū)均位發(fā)育到錨桿錨固區(qū)域，可實現(xiàn)錨桿（索）主動支護(hù)對圍巖的控制效果；基于上述分析可知，該種支護(hù)方案具有可行性，可保障圍巖的穩(wěn)定。

3.2 效果分析

為驗證22117回風(fēng)順槽在現(xiàn)有支護(hù)方案下的圍巖控制效果，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，掘進(jìn)期間圍巖變形量較??；為進(jìn)一步驗證支護(hù)效果，在工作面回采期間進(jìn)行巷道圍巖變形量的監(jiān)測，測站布置在距離工作面前方100 m位置處，共計布置2個測站，具體圍巖變形-距回采工作面距離曲線如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形-距工作面距離曲線圖

分析圖6可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤饾u增大，在監(jiān)測斷面與工作面間的距離大于65 m時，圍巖變形量較?。恍∮?5 m時，頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾示饾u增大；距離為20 m時，巷道斷面處于超前支承壓力的峰值區(qū)域，頂板下沉量最大為180 mm，兩幫最大移近量為142 mm，巷道圍巖變形量滿足回采巷道使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)22117回風(fēng)順槽地質(zhì)條件，通過理論分析進(jìn)行圍巖變形破壞機(jī)理的分析，得出頂板及兩幫巖層拉伸及剪切破壞的形態(tài)，影響頂板巖層穩(wěn)定的主要因素，結(jié)合圍巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行錨桿（索）支護(hù)方案設(shè)計，并采用數(shù)值模擬驗證支護(hù)方案可行性，根據(jù)工作面回采期間巷道圍巖變形量可知，巷道在該支護(hù)方案下，圍巖變形滿足回采巷道使用要求，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。