李建功

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046000）

0 引言

近年來，伴隨科學技術的進步，我國煤炭資源需求日益增加，安全、高效生產成為煤礦生產的主要目標之一。多數礦井采用雙巷布置方式代替原來所采用的布置方式，以此緩解礦井運輸、通風、工作面接替緊張等問題，但保留上工作面運輸巷在本工作面回采時會同時受到超前支撐壓力以及上工作面采空區(qū)的側向支撐壓力疊加影響，造成留巷礦壓顯現劇烈且維護時間較長，故保證留巷服務期內留巷支護穩(wěn)定性尤為關鍵。我國眾多學者針對雙巷布置的巷道穩(wěn)定性問題進行了大量研究。在留巷應力分布方面，王書文等[1]通過連續(xù)6 個月現場監(jiān)測，獲取了工作面回采過程中采空區(qū)側向支承壓力演化規(guī)律；康紅普[2]通過分析現場采動應力監(jiān)測數據，論述了煤礦地應力場分布特征、規(guī)律以及回采工作面超前支承壓力分布范圍、峰值大小。在留巷變形破壞機理方面，馬念杰等[3-5]提出了巷道非均勻應力場條件下蝶形塑性區(qū)理論，解釋了巷道非均勻變形機理，得到了非均勻應力場下巷道圍巖塑性區(qū)半徑計算公式；劉洪濤等[6]以實際工程為背景，通過理論分析和數值模擬，研究獲得留巷主應力的變化規(guī)律、塑性區(qū)擴展特征，解釋了發(fā)生非對稱變形的原因；張?zhí)斓萚7]通過現場調研結合數值模擬和工業(yè)性實驗研究了多次采動巷道圍巖變形及塑性區(qū)演化規(guī)律。在巷道圍巖控制方面，王宇等[8]結合工程實際，建立工作面?zhèn)认虿蓜討δＰ停蟮脗认蛩苄詤^(qū)破壞深度和采動應力的分布規(guī)律，提出采用非對稱錨網索密集支護方案；趙志強[9]研究了大變形回采巷道圍巖變形破壞機理，提出控制圍巖塑性區(qū)擴展的原理，開發(fā)可接長錨桿-普通錨桿的協(xié)同支護技術；賈后省等[10]通過對受多次采動影響巷道的冒頂及大變形問題進行研究，發(fā)現通過增強支護強度無法有效控制頂板下沉，采用高延伸率、大錨固范圍支護材料可以有效防止巷道冒頂。

本文以霍爾辛赫煤礦3501 回風順槽為工程背景，通過數值模擬和理論分析研究受重復采動影響下的留巷塑性區(qū)演化規(guī)律，依據塑性區(qū)分布規(guī)律，同時結合現場實際情況對留巷支護參數提出優(yōu)化方案。

1 工程概況

山西霍爾辛赫煤礦3501 工作面位于山西組3 號層五盤區(qū)，工作面東側為中部風井，南側為五盤區(qū)大巷，西側布置為3502 工作面，工作面平面布置圖如1所示。3501 工作面開采3 號煤層，煤層厚5.2～6.0 m，平均厚5.6 m，工作面外切眼長120 m，對接后切眼長246 m，工作面底板為泥巖，屬于軟弱巖層。工作面采用三巷布置，兩進一回，分別為3501 運輸順槽、3501進風順槽和3501 回風順槽。

圖1 工作面平面布置圖

2 數值模擬分析

采用FLAC3D數值模擬軟件對采用雙巷布置時留巷受采動應力影響下的塑性區(qū)分布進行模擬，結合鉆孔柱狀圖和巖石力學參數建立采場，模型大小為603 m×500 m×65 m，對留巷所在區(qū)域網格進行局部加密，網格細劃為0.5 m，其余網格劃分為2～5 m 不等，限制模型前、后、左、右、下等五個模型表面的位移，模型設置為Mohr-Coulomb 準則，模型如圖2 所示。

圖2 數值模擬模型示意圖

分別模擬3501 工作面回采不同推進距離以及3502 工作面回采不同推進距離時留巷的塑性區(qū)分布，選取模型3501 工作面回風順槽250 m 處作為觀察面，提取兩工作面不同推進距離時的留巷圍巖塑性區(qū)分布情況，研究留巷受不同采動影響下的塑性區(qū)分布演化規(guī)律，兩個工作面不同采動影響下的塑性區(qū)分布如圖3、圖4 所示。

圖3 3501 工作面推進不同距離時留巷塑性區(qū)分布

圖4 3502 工作面推進不同距離時留巷塑性區(qū)分布

3501 工作面回采時，3501 回風順槽受一次采動影響，隨著工作面不斷推進，留巷圍巖塑性區(qū)逐漸向圍巖深部擴展，塑性區(qū)呈現出非對稱變形特征，推進300 m 時巷道底板塑性區(qū)最大值偏向于巷道副幫方向，而巷道頂板塑性區(qū)最大深度處偏向于巷道正幫，呈現為非對稱塑性區(qū)，巷道整體塑性區(qū)往副幫與底板夾角和正幫與頂板夾角兩處呈對角發(fā)展。工作面回采推進破壞了留巷周圍應力分布的對稱性，造成了巷道主應力的偏轉，形成塑性區(qū)的非對稱分布。

3501 工作面回采結束后，經過留巷穩(wěn)定階段，3501 回風順槽塑性區(qū)沒有發(fā)生新的變化。當接續(xù)工作面3502 工作面開始回采時，工作面前方形成的超前采動應力打破了受一次采動影響已經形成的非對稱塑性變形巷道的穩(wěn)定性，使其已經形成的塑性區(qū)發(fā)生進一步擴展。從模擬結果可以看出，隨著3502 工作面不斷推進，留巷塑性區(qū)在原基礎上擴大了破壞程度，呈現出了更為明顯的不均勻性和非對稱性；留巷底板塑性區(qū)與副幫塑性區(qū)形成聯通，進一步向夾角處發(fā)展，從形態(tài)上形成旋轉的“蝶形”塑性區(qū)。

3 采動留巷塑性區(qū)演化規(guī)律

巷道圍巖一般具有非均質的各向異性，因此想要精確計算巷道的圍巖應力具有一定難度。因此一般將其簡化為平面應變問題來求解，根據文獻[9]中巷道圍巖應力計算公式（1），推導出雙向不等壓巷道圍巖塑性邊界方程，即公式（2）。

式中：σθ、σr、τr，θ分別代表任意一點的環(huán)向應力、徑向應力和剪應力，MPa；λ 為側壓系數；γH 為巷道豎向載荷，MPa；R0為圓形巷道半徑；r、θ 為任一點的極坐標。

根據上述公式可以求得不同條件下巷道圍巖塑性區(qū)的不同形態(tài)特征，分析可知巷道在不同側壓系數下圍巖塑性區(qū)形貌會出現較大差異，巷道側壓系數小于0.5 時，巷道塑性區(qū)出現“蝶形”，這種形態(tài)的塑性區(qū)由于其最大尺寸與最小尺寸相差較大，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

上文中數值模擬結果中塑性區(qū)出現的非對稱形態(tài)可以看成是不規(guī)則的“蝶形”塑性區(qū)，“蝶形”塑性區(qū)的旋轉造成蝶葉處于頂板與兩幫夾角處，巷道圍巖塑性區(qū)的最大深度出現在巷道肩部偏向幫部位置，在該處容易出現巷道冒頂及大面積片幫，因此在支護設計中應重點關注。

4 支護參數優(yōu)化設計

3501 回風順槽原支護頂板采用“錨桿+錨索+金屬網”的聯合支護形式，頂錨桿選用直徑為22 mm、長2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 100 mm×1 100 mm，錨索直徑為22 mm、長度為7 300 mm，錨索間距為1 600 mm，每隔2 200 mm 打一排；巷道兩幫采用“錨桿+鋼護板+金屬網”的支護方式，錨桿間排距為1 000 mm×1 100 mm，幫部金屬網為菱形網，網片規(guī)格3 500 mm×1 200 mm，網孔規(guī)格50 mm×50 mm，原支護平面及斷面圖如圖5 所示。

圖5 3501 回風順槽原支護平面及斷面圖（單位：mm）

根據上文數值模擬留巷塑性區(qū)分布情況，留巷在受不同采動影響時塑性區(qū)分布呈現不規(guī)則形狀；留巷在受二次采動期間，巷道圍巖塑性區(qū)在一次采動基礎上發(fā)生惡性擴展，且巷道非對稱破壞現象加劇，在此基礎上原支護采用對稱支護，針對留巷出現的非對稱變形，原支護無法完全起到錨固作用，不能有效控制巷道因為應力偏轉而出現的大面積冒頂和變形。

針對上述問題，結合數值模擬塑性區(qū)分布以及留巷塑性區(qū)演化規(guī)律，提出留巷的支護優(yōu)化設計，新支護平面及斷面圖如圖6 所示。

圖6 3501 回風順槽新支護平面及斷面圖（單位：mm）

1）結合上文數值模擬塑性區(qū)分布規(guī)律，留巷塑性區(qū)呈非對稱分布，塑性區(qū)隨工作面推進不斷往頂板與副幫夾角以及底板和正幫夾角兩對角區(qū)域擴展，故將巷道頂板及副幫夾角處的錨桿由原來的垂直錨固改進為與垂線夾角呈15°斜向支護，對正幫與底板夾角處錨桿做相同處理，加強錨固巷道頂板與底板兩對角處圍巖破碎區(qū)。

2）鑒于二次采動期間留巷塑性區(qū)發(fā)生進一步惡性擴展，因此在留巷穩(wěn)定階段，在原支護參數基礎上進行補強支護。補打錨索規(guī)格為Φ22 mm×7 300 mm，錨索間排距為2 000 mm×2 200 mm，每排補打2 根錨索，距兩幫最近處1 200 mm。

5 結論

1）通過對留巷進行數值模擬分析，結果顯示留巷受重復采動影響，巷道圍巖塑性區(qū)呈現為非對稱破壞。

2）通過理論分析，巷道圍巖側壓系數在一定范圍時，巷道出現“蝶形”塑性區(qū)，圍巖塑性區(qū)越不規(guī)則，巷道穩(wěn)定性越差。

3）針對巷道圍巖塑性區(qū)的非對稱破壞，提出相應的支護方案，將肩角處的錨桿改為斜向支護，并在留巷穩(wěn)定期間補打頂板錨索加強頂板肩角處支護，有效控制了頂板大面積冒頂以及幫部片幫問題。