＊田柯 劉彬禹 馬一多 李建 張峻康

（1.山西能源學(xué)院礦業(yè)工程系 山西 030600 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源于礦業(yè)學(xué)院 北京 100083 3.中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100071）

20世紀(jì)80年代，由于煤礦設(shè)計(jì)的變革，采取了降低集中巷的布局形式，在煤層內(nèi)設(shè)置了開(kāi)拓巷、采準(zhǔn)巷，使巖巷的工程量逐漸減少。自2008年起，我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)礦井的年掘進(jìn)總量已達(dá)8000km以上，70%左右是煤巷，20%是半煤巖巷10%是全巖巷。煤巖巷道施工是一種多工序交替進(jìn)行的復(fù)雜施工技術(shù)，主要由五個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)構(gòu)成：破、裝、運(yùn)、支、測(cè)。掘進(jìn)速度的高低，既與掘進(jìn)裝備的現(xiàn)代化水平有關(guān)，又與各生產(chǎn)工藝之間的緊密配合密切相關(guān)。

近幾年，由于礦山綜合機(jī)械化水平的提高，采掘失衡的矛盾日益突出，因此，煤巷的快速掘進(jìn)已成為礦山安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。馬長(zhǎng)樂(lè)[1]為解決余吾煤業(yè)在高應(yīng)力、高瓦斯、軟煤層等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下難題，采用單巷掘進(jìn)技術(shù)并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，使其工作周期縮短；楊仁樹(shù)[2]為提高巷道掘進(jìn)速度，分析現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題并提出解決方案，實(shí)現(xiàn)了巷道安全快速掘進(jìn)；孟維波[3]對(duì)影響采空頂區(qū)頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素進(jìn)行了分析，為空頂區(qū)復(fù)雜力學(xué)條件下的巷道變形及頂板崩塌提供了理論依據(jù)。索永錄[4]對(duì)王家山礦井大傾角綜放作業(yè)面平巷綜采效果進(jìn)行了分析；肖同強(qiáng)[5]分析了張雙樓煤礦原綜掘工藝主要存在的問(wèn)題；杜啟軍[6]從地質(zhì)條件、掘進(jìn)和支護(hù)設(shè)備、支護(hù)參數(shù)和施工工藝4個(gè)方面分析了影響林南倉(cāng)煤礦掘進(jìn)的因素。本文以掘進(jìn)巷道空頂區(qū)為切入點(diǎn)，對(duì)采場(chǎng)空頂區(qū)頂板圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了研究[7-9]。

1.工程背景

地質(zhì)條件：范各莊井田位于河北省唐山市古冶區(qū)，是開(kāi)平煤礦的一部分。礦區(qū)地點(diǎn)：東經(jīng)108°8′，北緯39°33′。該礦的鐵路線與林西礦、京山線、古冶站相連。該礦區(qū)已查明資源量47335.5萬(wàn)噸，其中已探明資源量20174.3萬(wàn)噸（其中煤炭13009.6萬(wàn)噸，損失煤7164.7萬(wàn)噸），保有資源儲(chǔ)量7161萬(wàn)噸。

范各莊井田在開(kāi)平向斜東南翼南端，范各莊井田由井田北翼的塔坨向斜和南翼的范各莊向斜構(gòu)成，北翼為青龍山西向，其主斜軸在古冶北部向東西向傾斜，從而形成了一種由南向北的應(yīng)力場(chǎng)。整個(gè)塔坨的軸線是東西向的，其中心位置是北部的弧形。因?yàn)樗绲膬A斜效應(yīng)，北二背斜和井口傾斜得以形成，并且在軸線附近存在一條微型斷層。范各莊的縱軸大致呈西北方向，軸心呈馬鞍形，沿中軸方向有兩個(gè)較小的盆地。井田內(nèi)大斷裂構(gòu)造以范各莊斜區(qū)南緣為主，以及F5正斷層為主的斷層帶共同構(gòu)成開(kāi)平煤田邊界；另一組為F4、F11、F1，各有5～30m。另外，在井田中央還發(fā)現(xiàn)有SN型的斷裂構(gòu)造，主要以F0斷層為主。范各莊井田內(nèi)的區(qū)域分界受其褶皺和主要斷層構(gòu)造的制約，井田自然地分為若干個(gè)構(gòu)造單元。

本井田所揭露的地質(zhì)構(gòu)造，總體來(lái)看，該礦區(qū)區(qū)內(nèi)主要以斷裂構(gòu)造為主要特征（圖1），塔坨斜區(qū)和范各莊斜區(qū)的構(gòu)造特征比較復(fù)雜，其構(gòu)造多與區(qū)域構(gòu)造有關(guān)，并有一定的規(guī)律性。井田中部的單斜帶構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，構(gòu)造演化日趨復(fù)雜，斷層數(shù)目增多，剖面形狀也多種多樣。

依據(jù)構(gòu)造特征及樣式，將該礦井井田劃分為如圖1的三個(gè)構(gòu)造區(qū)，即位于井田南部的范各莊向斜區(qū)、北部的塔坨向斜區(qū)和中部的單斜構(gòu)造區(qū)。

區(qū)內(nèi)發(fā)育有斷裂及褶皺構(gòu)造，北部塌陷區(qū)主要的發(fā)育特征為陷落柱、褶皺和小型斷裂構(gòu)造，中部區(qū)域地層走向變化較小，地層傾角由南向北增大，為8°～24°，通常在15°以下。南部區(qū)域的主要特征為F5大斷層和范各莊向斜。

圖1 井田構(gòu)造綱要及構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D

為了確定不同影響因素對(duì)于空頂區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究以分析不同影響因素對(duì)空頂區(qū)巷道及迎頭穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2.范各莊煤礦異型巷道數(shù)值模擬分析

(1)范各莊煤礦3X51S掘進(jìn)巷道模型建立

采用數(shù)值模擬軟件，通過(guò)生成巖層網(wǎng)格、定義計(jì)算本構(gòu)關(guān)系、網(wǎng)格屬性賦值、定義邊界約束條件等步驟生成數(shù)值計(jì)算模型。

以范各莊礦3X51S掘進(jìn)工作面順槽作為研究對(duì)象，地面標(biāo)高+23.04m～+24.32m，工作面標(biāo)高-662.0～-608.0m。5號(hào)煤層屬于簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)的薄煤層，其厚度有很大的波動(dòng)。在南部，其厚度最高，達(dá)到1.79m，而在北部，其厚度則最低，只有0.48m，平均煤層厚度為1.10m。從北到南，煤層的傾斜角度逐步減小，其平均值為13°。

巷道掘進(jìn)會(huì)引起圍巖應(yīng)力的調(diào)整，但其影響范圍并非無(wú)限大，而是局限于巷道周圍約5倍巷寬的范圍內(nèi)，因此建立模型時(shí)可適當(dāng)縮小計(jì)算分析的區(qū)域，重點(diǎn)對(duì)巷道掘進(jìn)影響區(qū)域進(jìn)行研究。此外，由于煤層的平均傾角約為13°，對(duì)巷道掘進(jìn)會(huì)產(chǎn)生一定影響。考慮到邊界約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，建立如圖2所示的模型，該模型長(zhǎng)×寬×高=60m×80m×45m，巷道尺寸5.4m×3.6m，巷道在煤層底板上方掘進(jìn)。

圖2 范各莊礦數(shù)值計(jì)算模型

位移邊界：模型四周邊界施加水平約束，模型底部邊界固定，上部邊界為自由。

應(yīng)力邊界：模型四周邊界采用三向應(yīng)力約束條件，應(yīng)力為等效埋深大小，頂部施加等效均布載荷15MPa（600m的巖層重量）的垂直應(yīng)力，相當(dāng)于600m厚上覆巖層的重量，水平應(yīng)力sxx為18.75MPa，syy為15MPa。

在計(jì)算過(guò)程中，采用煤巖體力學(xué)參數(shù)與相應(yīng)地質(zhì)報(bào)告及測(cè)試結(jié)果，煤巖層的力學(xué)參數(shù)如表1。圖3所示為模型的初始平衡。

表1 范各莊礦模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表

圖3 數(shù)值模擬初始平衡

(2)支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道及迎頭圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律

頂板的支護(hù)形式多種多樣，其變形規(guī)律同樣不同。雖然支護(hù)形式多種多樣，如錨網(wǎng)索、錨索梁、架棚等，但頂板的控制效果并不是多種支護(hù)形式簡(jiǎn)單的累加，在某些條件下，相同的支護(hù)效果可能采用的支護(hù)形式也不同。對(duì)此，需要以支護(hù)強(qiáng)度來(lái)代替支護(hù)形式對(duì)頂板控制效果的影響。

圖4 不同支護(hù)強(qiáng)度時(shí)巷道及迎頭圍巖塑性區(qū)發(fā)育分布

不同的支護(hù)強(qiáng)度下巷道圍巖的塑性區(qū)發(fā)育分布圖如圖4所示，在錨桿索間排距不變的條件下，僅改變預(yù)緊力大小來(lái)控制支護(hù)強(qiáng)度。從圖4（a）～（c）可以看出，巷道圍巖的破壞范圍及深度隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加而不斷減小，在高強(qiáng)度與無(wú)支護(hù)的模擬對(duì)比下，巷道兩幫及頂?shù)装鍦p小破壞深度均為0.4m，效果明顯，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加會(huì)提高巷道穩(wěn)定性。而從圖4（d）～（f）可以看出，巷道迎頭的塑性區(qū)受支護(hù)強(qiáng)度變化的影響較小，破壞深度約為1.2m。

巖體的承載力、狀態(tài)由巖體內(nèi)應(yīng)力大小體現(xiàn)，圖5（d）～（f）表現(xiàn)出超前應(yīng)力峰值大小、位置沒(méi)有變化，可見(jiàn)支護(hù)強(qiáng)度對(duì)于掘進(jìn)迎頭前方超前支撐應(yīng)力分布影響不大，但是巷道圍巖應(yīng)力分布有很大差異，支護(hù)強(qiáng)度變大，巷道頂板應(yīng)力隨之增加，由0.104MPa拉應(yīng)力變?yōu)?.162MPa壓應(yīng)力，此時(shí)說(shuō)明巷道變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，隨著拉應(yīng)力增大，巖石抗拉強(qiáng)度低于拉應(yīng)力時(shí)，圍巖發(fā)生拉伸破壞，冒頂?shù)奈：?huì)隨時(shí)發(fā)生。為了巷道的穩(wěn)定，需要加強(qiáng)支護(hù)，減小巷道兩幫應(yīng)力集中程度，頂、底板低應(yīng)力區(qū)范圍隨著支護(hù)強(qiáng)度變大而變小，兩幫應(yīng)力集中區(qū)同樣如此，說(shuō)明對(duì)巷道的整體穩(wěn)定有利，圍巖應(yīng)力狀態(tài)并非與支護(hù)強(qiáng)度的增加呈正比，相關(guān)性較弱，高、低支護(hù)強(qiáng)度相比，頂板垂直應(yīng)力增幅0.6‰，由0.162MP變到0.1621MPa，兩幫峰值垂直應(yīng)力減幅為3.3%，由21.6MPa變到20.9MPa，變化幅度很小。

圖5 不同支護(hù)強(qiáng)度時(shí)巷道及迎頭垂直應(yīng)力分布云圖

(3)空頂距對(duì)巷道及迎頭圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律

設(shè)計(jì)空頂距為1.6m、3.2m、4.8m、6.4m、8m及9.6m六種工況，巷道開(kāi)挖32m。

①空頂距對(duì)巷道及迎頭塑性區(qū)發(fā)育狀態(tài)的影響規(guī)律

隨著頂板支護(hù)滯后迎頭距離的不同，巷道空頂區(qū)及迎頭的塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律也發(fā)生變化，圖6為空頂距不同時(shí)，巷道軸向及徑向圍巖塑性區(qū)的發(fā)育分布圖。

圖6 不同空頂距時(shí)巷道及迎頭塑性區(qū)發(fā)育分布圖

圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍表征了圍巖體的受力和承載狀態(tài)，巷道掘進(jìn)迎頭和空頂區(qū)的圍巖塑性區(qū)受迎頭支撐結(jié)構(gòu)、滯后支護(hù)強(qiáng)度、頂板上覆載荷三個(gè)因素影響。由于頂板上覆載荷和迎頭支撐結(jié)構(gòu)在給定條件下不再變化，因此迎頭煤體的塑性區(qū)發(fā)育狀態(tài)不受空頂距離影響，如圖6（g）～（l）所示，迎頭破壞深度為1.2m。而滯后支護(hù)的強(qiáng)度及其與迎頭支撐結(jié)構(gòu)的配合狀態(tài)確定了空頂區(qū)巷道圍巖的位移量及破壞狀態(tài)，由圖6（a）～（f）可知，塑性區(qū)發(fā)育演化規(guī)律與空頂區(qū)巷道圍巖的位移量演化規(guī)律相似。

A.巷道深處塑性區(qū)發(fā)育受圍巖結(jié)構(gòu)及其自承能力影響，空頂距離對(duì)其不產(chǎn)生影響；淺部破壞狀態(tài)與空頂距離及滯后支護(hù)形式相關(guān)，隨空頂距離增加，空頂范圍的頂板塑性區(qū)發(fā)育深度逐漸增加。

B.空頂距離的增大使得頂板作用于幫部壓力的增大，幫頂協(xié)同變形，加劇幫部破壞，導(dǎo)致圍巖松動(dòng)圈的半徑增加，上幫破壞深度由1.2m（空頂距離0～3.2m）增至1.6m（空頂距離4.8～8.0m）增至2.0m（空頂距離9.6m）；頂板破壞深度由1.2m（空頂距離0～3.2m）增至1.8m（空頂距離4.8m）增至2.2m（空頂距離6.4m）增至2.4m（空頂距離8～9.6m）。松動(dòng)圈半徑增大弱化了支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠錨固基礎(chǔ)，尤其是常用規(guī)格錨桿支護(hù)（錨桿長(zhǎng)度1.8～2.8m），圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍表征了圍巖體的受力和承載狀態(tài)，巷道掘進(jìn)迎頭和空頂區(qū)的圍巖塑性區(qū)受迎頭支撐結(jié)構(gòu)、滯后支護(hù)強(qiáng)度、頂板上覆載荷三個(gè)因素影響，隨空頂距離增加，空頂范圍的頂板塑性區(qū)發(fā)育深度逐漸增加，因此空頂距離不宜過(guò)大。

②空頂距對(duì)巷道及迎頭垂直應(yīng)力分布的影響規(guī)律

自巷道圍巖表面向水平兩側(cè)及迎頭方向依次出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)、高支承壓力區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，而垂直方向上則只有應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。

如圖7（g）～（l）所示，空頂區(qū)距離變化對(duì)迎頭超前支承應(yīng)力的分布影響較小，為20.6MPa，主要受迎頭支撐結(jié)構(gòu)本身影響，對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭蛻?yīng)力的變化影響則較為明顯。如圖7（a）～（f）所示，隨著空頂距增大，兩幫垂直應(yīng)力峰值從20.91MPa增大為24.06MPa，增幅15.1%，最大應(yīng)力集中系數(shù)為1.6；頂?shù)装宕怪睉?yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，且應(yīng)力降低區(qū)范圍不斷增大，圍巖自穩(wěn)能力不斷降低，當(dāng)空頂距為1.6m和3.2m時(shí)，頂?shù)装逄幱趬簯?yīng)力狀態(tài)；當(dāng)空頂距為4.8～9.6m時(shí)，頂?shù)装逄幱诶瓚?yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力從0.104MPa增大為0.133MPa，增幅27.9%。

圖7 不同空頂距時(shí)巷道及迎頭垂直應(yīng)力分布云圖

圖8 不同煤（巖）層傾角時(shí)范各莊礦數(shù)值計(jì)算模型

綜上所述，隨著空頂距離的增加，頂板承載能力變?nèi)?，造成頂板壓力向下部?jī)蓭娃D(zhuǎn)移，并向幫部深處延伸，兩幫淺部圍巖強(qiáng)度弱化程度高，不能有效承載頂部載荷，有效承載體為深部巖體承載，應(yīng)力集中程度高，而幫部淺部圍巖雖處于低應(yīng)力環(huán)境，但其變形受頂?shù)装鍓嚎s，仍會(huì)發(fā)生持續(xù)顯著變形，不僅增大了頂板巖梁的有效跨度，還弱化了可靠錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)，這樣頂板及兩幫變形會(huì)不斷增大，產(chǎn)生惡性循環(huán)。因此，空頂距應(yīng)小于3.2m，使巷道頂?shù)装逡恢碧幱趬簯?yīng)力狀態(tài)，承載能力強(qiáng)，有利于巷道整體的穩(wěn)定。

(4)煤(巖)層傾角對(duì)巷道及迎頭圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律

根據(jù)煤層傾角的劃分，設(shè)計(jì)為近水平煤層0°、緩斜煤層13°、傾斜煤層30°和急傾斜煤層50°共4種工況，分別建立范各莊礦數(shù)值模型如圖8所示，網(wǎng)格劃分大小一致。煤層傾角不同，一方面造成煤巖層內(nèi)部應(yīng)力傳遞路徑不同，另一方面巷道頂?shù)装寮皟蓭蛶r性發(fā)生改變，二者共同對(duì)巷道及迎頭圍巖穩(wěn)定性造成影響。

(5)煤(巖)層傾角對(duì)巷道及迎頭塑性區(qū)發(fā)育狀態(tài)的影響規(guī)律

如圖9所示，隨著煤（巖）層傾角增大，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r塑性區(qū)發(fā)育形態(tài)主要隨煤體和巖體位置不同而發(fā)生變化，當(dāng)煤層傾角小于45°時(shí)，頂?shù)装鍘r性為巖體，則圍巖塑性區(qū)破壞深度和范圍相對(duì)較?。划?dāng)煤層傾角大于45°后，頂?shù)装鍘r性變?yōu)槊后w，則圍巖塑性區(qū)破壞深度和范圍相對(duì)增大，頂板塑性區(qū)從1.4m增大為2.1m，增幅50%，且頂板巖性為煤體的位置產(chǎn)生拉伸破壞。迎頭塑性區(qū)受煤（巖）層傾角巖性影響較小，破壞深度為1.2m。

圖9 不同煤（巖）層傾角時(shí)巷道及迎頭圍巖塑性區(qū)發(fā)育分布

綜上所述，煤（巖）層傾角時(shí)巷道及迎頭圍巖穩(wěn)定性影響有限，對(duì)于傾角小于20°～25°的煤巖層，巷道圍巖穩(wěn)定較好，最大空頂距相對(duì)較大。5#煤層傾角為7°～19°，從理論及數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，巷道最大空頂距可以達(dá)到3.6m（不考慮安全系數(shù)）。

3.結(jié)論

（1）支撐力對(duì)頂板、底板和兩幫的承載狀態(tài)有非常顯著的影響。支撐力越高，支撐結(jié)構(gòu)就越能承受荷載。然而，對(duì)于巖石本身來(lái)說(shuō)，這種情況是最好的，盲目增加承載強(qiáng)度來(lái)改善其應(yīng)力狀態(tài)并不比施工本身好。應(yīng)合理確定支護(hù)參數(shù)，以確保巷道的穩(wěn)定性，也可快速開(kāi)挖。

（2）隨著空頂距離的增加，頂板承載能力變?nèi)?，造成頂板壓力向下部?jī)蓭娃D(zhuǎn)移，并向幫部深處延伸，兩幫淺部圍巖強(qiáng)度弱化程度高，不能有效承載頂部載荷，有效承載體為深部巖體承載。