陳政文， 吳士良， 姜南

（山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

工作面回采過程中，在巷道圍巖多種應(yīng)力疊加作用下，礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜[1-4]。沖擊地壓礦井兩巷超前支護(hù)區(qū)域更是沖擊地壓等事故頻發(fā)之地[5-7]。巷道超前支護(hù)對(duì)于保障工作面回采過程中行人、運(yùn)料等的安全至關(guān)重要，而超前支護(hù)區(qū)域各區(qū)段的劃分則是進(jìn)行巷道支護(hù)的前提。

巷道超前支護(hù)區(qū)域劃分和支護(hù)方式是影響回采巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在超前支護(hù)區(qū)域劃分方面，孫廣義等[8]根據(jù)不同巷道支承壓力確定了合理支護(hù)方式；王宜清等[9]在研究頂板裂隙規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了分區(qū)域主動(dòng)式超前支護(hù)方案；曹新奇等[10]研究制定了工作面上下端頭頂板支護(hù)技術(shù)措施，提出了回采巷道在不同頂板傾角下的超前支護(hù)技術(shù)方案；田雷等[11]通過多種監(jiān)測手段研究了某礦首采工作面超前支承壓力分布規(guī)律和回采巷道圍巖變形特征，并根據(jù)不同采動(dòng)影響程度采取相應(yīng)超前支護(hù)措施。針對(duì)超前支護(hù)方式，魏允伯等[12]提出了用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索主動(dòng)支護(hù)代替單體和超前液壓支架被動(dòng)支護(hù)的思路，通過理論計(jì)算和數(shù)值分析確定了超前主動(dòng)支護(hù)方案；王方田等[13]探究了回采巷道動(dòng)壓區(qū)錨索強(qiáng)化支護(hù)機(jī)理，建立了巷道錨索支護(hù)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。以上研究大多在靜載條件下對(duì)超前支護(hù)區(qū)域進(jìn)行劃分，以優(yōu)化和完善主動(dòng)式支護(hù)為研究重點(diǎn)，對(duì)于動(dòng)載沖擊作用下的超前支護(hù)區(qū)域劃分及巷道圍巖與液壓支架之間的關(guān)系需進(jìn)一步探討。

本文以兗礦能源集團(tuán)股份有限公司趙樓煤礦5304 工作面巷道為研究對(duì)象，分析了超前支架受動(dòng)載沖擊下的工作阻力變化規(guī)律和圍巖與液壓支架關(guān)系，運(yùn)用數(shù)值模擬研究了動(dòng)載作用下超前支承壓力變化規(guī)律，推導(dǎo)出各支護(hù)段動(dòng)態(tài)應(yīng)力表達(dá)式。

1 巷道超前支護(hù)區(qū)域劃分原理

1.1 液壓支架工作阻力變化特征

一般情況下，判斷巖體是否發(fā)生破壞，需根據(jù)巖石力學(xué)原理得到區(qū)域內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度準(zhǔn)則。然而，對(duì)于煤礦沖擊地壓而言，目前尚未獲得完備的強(qiáng)度準(zhǔn)則，無法對(duì)煤巖體絕對(duì)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測量，也無法明確煤巖體沖擊顯現(xiàn)時(shí)是以靜載應(yīng)力為主還是動(dòng)載應(yīng)力為主。但是，液壓支架工作阻力變化可在一定程度上反映巷道頂板應(yīng)力變化特征，從而可以監(jiān)測某一方向的相對(duì)應(yīng)力變化[14-15]。

在正常工作狀態(tài)下，超前液壓支架依次經(jīng)過上升增阻、緩慢增阻、耦合恒阻和降柱降阻4 個(gè)階段。當(dāng)動(dòng)載沖擊作用于液壓支架時(shí)，立柱液壓缸內(nèi)壓力急劇增大，達(dá)到最大壓力后立即卸荷調(diào)整至穩(wěn)態(tài)[16-18]。液壓支架立柱壓力曲線如圖1 所示。在正常的周期來壓過程中，液壓支架偶爾受到動(dòng)載沖擊影響，出現(xiàn)如圖1 中Ⅲ，Ⅳ階段變化特征。

圖1 液壓支架立柱壓力曲線[19]Fig. 1 Hydraulic support column pressure curve[19]

超前液壓支架工作阻力曲線如圖2 所示。在正常周期來壓中，液壓支架受到動(dòng)載沖擊后，存在工作阻力急劇上升后急速下降現(xiàn)象，具有作用時(shí)間短、速度快等特點(diǎn)。在圖2（b）-圖2（d）中紅色虛線圈定區(qū)域，液壓支架正常工作時(shí)工作阻力分別為10 900，3 828，4 681 kN，動(dòng)載沖擊時(shí)工作阻力分別為11 903，4 858，5 340 kN，為正常工作狀態(tài)下的1.10，1.27，1.14 倍。

圖2 液壓支架工作阻力曲線Fig. 2 Hydraulic support working resistance curves

1.2 動(dòng)態(tài)系數(shù)定義

考慮動(dòng)載作用時(shí)液壓支架工作阻力會(huì)增大，假設(shè)動(dòng)載全程作用，則會(huì)形成一條新的液壓支架工作阻力變化曲線，根據(jù)新曲線對(duì)液壓支架進(jìn)行選型，可提高巷道穩(wěn)定性。因此，根據(jù)受動(dòng)載沖擊前后工作阻力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出動(dòng)態(tài)系數(shù)這一概念。

將工作面回采前方區(qū)域劃分為網(wǎng)格，如圖3 所示。將動(dòng)載作用時(shí)液壓支架工作阻力（動(dòng)載）與作用前工作阻力（靜載）的比值稱為動(dòng)態(tài)系數(shù)分量，記作χi j（i,j為區(qū)域位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)），令各區(qū)域動(dòng)態(tài)系數(shù)分量的最大值為整個(gè)區(qū)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)系數(shù)，用χi表示，即

圖3 區(qū)域劃分網(wǎng)格Fig. 3 Regional division grids

式中：(σ1)ij為動(dòng)載；(σ0)ij為靜載。

根據(jù)GB 25974.2-2010《煤礦用液壓支架 第2部分：立柱和千斤頂技術(shù)條件》，立柱和支撐千斤頂?shù)臎_擊動(dòng)載荷不超過液壓支架1.5 倍額定工作阻力[20]?？紤]到液壓支架選型時(shí)工作阻力為額定工作阻力的60%～80%較合理，即為動(dòng)載沖擊時(shí)工作阻力的40%～53%，所以沖擊地壓或易受動(dòng)載沖擊影響的工作面動(dòng)態(tài)系數(shù)可達(dá)1.8～2.5。當(dāng)動(dòng)態(tài)系數(shù)超過2.5時(shí)，液壓支架有較大概率出現(xiàn)壓架現(xiàn)象。

1.3 超前支護(hù)區(qū)域動(dòng)態(tài)劃分

根據(jù)靜載條件下工作面前方煤體支承壓力分布特征，可將超前支承壓力影響區(qū)劃分為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。在動(dòng)載擾動(dòng)作用下，超前支承壓力峰值點(diǎn)向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，將會(huì)產(chǎn)生新的塑性區(qū)，僅在彈塑性區(qū)寬度范圍和應(yīng)力大小上有差別。假設(shè)動(dòng)載作用下超前支承壓力峰值點(diǎn)與靜載超前支承壓力交匯點(diǎn)處應(yīng)力為Pij，可建立圍巖應(yīng)力模型，如圖4 所示，L1-L5依次為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)、新增塑性區(qū)。交匯點(diǎn)即為巷道超前支護(hù)動(dòng)態(tài)分界點(diǎn)。

圖4 動(dòng)載作用下巷道圍巖應(yīng)力模型Fig. 4 Stress model of surrounding rock in roadways under dynamic load

根據(jù)煤巖狀態(tài)及動(dòng)態(tài)分界點(diǎn)，對(duì)巷道超前支護(hù)區(qū)域進(jìn)行劃分，如圖5 所示。OA 段為加強(qiáng)支護(hù)段，由破裂區(qū)、塑性區(qū)和部分彈性區(qū)構(gòu)成，需要較高強(qiáng)度超前支護(hù)設(shè)備加強(qiáng)頂板支護(hù)；AB 段為輔助支護(hù)段，主要以彈性區(qū)為主，煤體具有較好的承載效果，但支承壓力仍處于較高狀態(tài)，需要單體液壓支柱或單元式液壓支架輔助支護(hù)；BC 段為原始支護(hù)段，整體處于原巖應(yīng)力區(qū)，不需要加強(qiáng)支護(hù)。

圖5 巷道超前支護(hù)區(qū)域劃分Fig. 5 Division of advanced support areas in roadways

2 動(dòng)載沖擊下超前支承壓力分布

2.1 數(shù)值模擬模型

選取5304 工作面巷道為研究對(duì)象，通過軟件FLAC3D建立524 m×400 m×62 m（長×寬×高）的數(shù)值模擬模型。FLAC3D數(shù)值模擬分為靜載計(jì)算和動(dòng)載計(jì)算2 個(gè)方面。靜載計(jì)算時(shí)，設(shè)定模型邊界為底部固定，前后左右水平約束，頂部自由，并施加20 MPa均布載荷；動(dòng)載計(jì)算時(shí)，頂部和底部采用靜態(tài)邊界，前后左右采用自由邊界，以減少邊界波的反射。模型及監(jiān)測網(wǎng)布置如圖6 所示。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

為研究動(dòng)載沖擊條件下超前支承壓力變化規(guī)律，選取不同動(dòng)載強(qiáng)度和位置進(jìn)行探討：① 動(dòng)載強(qiáng)度依次選取22，24，26，28，30 MPa。② 分別在工作面采空區(qū)（距煤壁150，100 m）、煤壁、工作面前方區(qū)域（距煤壁50 m）、相鄰工作面采空區(qū)施加動(dòng)載荷。

2.2 結(jié)果分析

改變動(dòng)載位置和強(qiáng)度，得到超前支承壓力變化曲線，如圖7 所示。由圖7 可知，以靜載狀態(tài)下超前支承壓力峰值點(diǎn)位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，在動(dòng)載源強(qiáng)度不變的條件下，隨著動(dòng)載源的靠近，超前支承壓力峰值逐漸增大，峰值點(diǎn)向煤體內(nèi)部移動(dòng)，塑性區(qū)范圍擴(kuò)大；在動(dòng)載源位置不變的條件下，隨著動(dòng)載源強(qiáng)度的增大，亦產(chǎn)生相同變化規(guī)律。從幾何角度看，相對(duì)于靜載狀態(tài)下的曲線，超前支承壓力峰值點(diǎn)前的曲線基本重合；峰值點(diǎn)后，原巖應(yīng)力區(qū)前的曲線斜率基本相同，向距工作面更遠(yuǎn)處平移，向峰值點(diǎn)延伸；進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)后曲線再次重合。

圖7 動(dòng)載作用下超前支承壓力變化曲線Fig. 7 Variation curves of advanced support pressure under dynamic load

3 各區(qū)域支承壓力計(jì)算

各區(qū)域支承壓力 σy如圖8 所示，x為工作面前方與煤壁的距離。以應(yīng)力狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)劃分，OD 段為破裂區(qū)和塑性區(qū)，寬度設(shè)為x0，DB 段為彈性區(qū)，寬度為l0-x0（l0為OB 段寬度），DA 段為新增塑性區(qū)；以巷道支護(hù)方式和強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)劃分，OA 段為加強(qiáng)支護(hù)段，AB 段為輔助支護(hù)段，BC 段為原始支護(hù)段。

圖8 各區(qū)域支承壓力Fig. 8 Support pressure in each area

為了方便計(jì)算，假設(shè)OD 段和DB 段支承壓力σOD，σDB均呈線性變化，其表達(dá)式為

式中：Kmax為最大應(yīng)力集中系數(shù)； γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m。

取寬度為dx、高度為M的受力單元體為研究對(duì)象，如圖9 所示。

圖9 單元體受力模型Fig. 9 Unit force model

單元體受力平衡方程為

式中： σx為x軸方向的應(yīng)力；F為煤層與頂?shù)装鍘r層之間的摩擦阻力；f為煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)。

根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則，OD 段內(nèi)單元體支承壓力為

式中： φ為煤體內(nèi)摩擦角，（°）；c0為煤體黏聚力，MPa。

OD 段與DB 段交界處，即塑性區(qū)與彈性區(qū)交界處應(yīng)力滿足以下條件：

將式（5）代入式（4），根據(jù)式（6）得

工作面煤壁處應(yīng)力應(yīng)滿足以下條件：

式中N0為煤壁處支撐力。

結(jié)合式（7）和式（8）可得OD 段寬度為

同理可得，DB 段彈性區(qū)內(nèi)單元體支承壓力為

式中 λ為側(cè)壓系數(shù)。

將式（10）代入式（4），根據(jù)式（6）得

DB 段和BC 段交界處，即彈性區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)交界處應(yīng)力滿足以下條件：

結(jié)合式（11）和式（12）可得DB 段寬度l0-x0為

將式（9）和式（14）代入式（3）得

結(jié)合動(dòng)載作用下超前支承壓力變化曲線，為了方便計(jì)算和分析，建立動(dòng)載作用下巷道超前支承壓力計(jì)算模型，如圖10 所示。

圖10 動(dòng)載巷道超前支承壓力計(jì)算模型Fig. 10 Calculation model for advanced support pressure in dynamic loading roadways

σOA與σOD表達(dá)式相同，但范圍變?yōu)?≤x≤xOA，xOA為OA 段的寬度。σAE為 χi倍σDB，其分段表達(dá)式為

將σOA=χiKmaxγH代入式（16）得

將式（17）代入式（14），即可求得動(dòng)態(tài)應(yīng)力Pij：

由式（18）可知，動(dòng)態(tài)應(yīng)力Pij主要受動(dòng)態(tài)系數(shù) χi、采深H和上覆巖層力學(xué)參數(shù)的影響。在煤層采深和煤巖體力學(xué)性質(zhì)一定的條件下，動(dòng)態(tài)系數(shù) χi越大，動(dòng)態(tài)應(yīng)力Pi j越小，加強(qiáng)支護(hù)段距離越大，巷道超前支護(hù)區(qū)域范圍越大。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)趙樓煤礦5304 工作面地質(zhì)參數(shù)，采深H取最大埋深865.98 m，綜合考慮采空區(qū)轉(zhuǎn)移應(yīng)力、超前支承壓力和構(gòu)造應(yīng)力，煤層上最大應(yīng)力集中系數(shù)按Kmax=2.0來估算；煤層采高M(jìn)=3.5 m，內(nèi)摩擦角φ=30°，黏聚力c0=3.53 MPa，煤層與頂?shù)装鍘r層交界面滑動(dòng)摩擦因數(shù)f=0.3，側(cè)壓系數(shù)λ=0.43，動(dòng)態(tài)系數(shù) χi取相鄰工作面實(shí)際監(jiān)測值1.5。

經(jīng)計(jì)算得到破裂區(qū)和塑性區(qū)OD 段寬度為16.28 m，超前支承壓力影響范圍為104.19 m，根據(jù)巷道超前支護(hù)區(qū)域劃分及超前支護(hù)長度不得小于120 m的規(guī)定[21]，設(shè)加強(qiáng)支護(hù)段長度為24.41 m，輔助支護(hù)段長度為95.59 m。

巷道超前支護(hù)方案：加強(qiáng)支護(hù)段長度為24 m，共3 組，6 個(gè)支架，24 根立柱，超前液壓支架型號(hào)為ZT45000/25/45；輔助支護(hù)段長度為96 m，支架排距為6.5 m，共15 個(gè)單元支架，單元支架型號(hào)為ZQ2000/22/48A；之后為原始支護(hù)段，沿用原有錨桿索支護(hù)方案。

采用KJ564 型頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)5304 工作面巷道進(jìn)行錨桿（索）受力、頂板離層和兩幫位移等監(jiān)測。以監(jiān)測巷道斷面為計(jì)量單位。測站開始監(jiān)測時(shí)，最近的監(jiān)測斷面為9 號(hào)監(jiān)測斷面，位于中間巷前方8 m，斷面間隔50 m，共9 個(gè)監(jiān)測斷面，從終采線至工作面方向依次為1-9 號(hào)。測點(diǎn)布置如圖11 所示。

圖11 頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig. 11 Layout of dynamic roof monitoring system

選取部分監(jiān)測斷面，其巷道表面位移和錨桿、錨索應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖12 和圖13 所示。

圖12 巷道表面位移曲線Fig. 12 Roadway surface displacement curves

圖13 錨桿、錨索應(yīng)力曲線Fig. 13 Stress curves of anchor rods and cables

由圖12 和圖13 可知，工作面回采期間巷道受到多次動(dòng)載沖擊，3 號(hào)和1 號(hào)監(jiān)測斷面巷道頂板和兩幫位移分別發(fā)生5 次和4 次突然增大現(xiàn)象；3 號(hào)監(jiān)測斷面錨桿、錨索應(yīng)力發(fā)生6 次突然增大現(xiàn)象，但巷道表面位移量和錨桿、錨索應(yīng)力仍處于可控范圍，巷道超前支護(hù)效果良好，圍巖控制穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1） 通過監(jiān)測動(dòng)載下液壓支架工作阻力變化特征，分析了液壓支架工作過程中動(dòng)載作用效果，提出了動(dòng)態(tài)系數(shù)概念。根據(jù)動(dòng)靜載條件下超前支承壓力及塑性區(qū)變化規(guī)律，設(shè)定動(dòng)態(tài)應(yīng)力點(diǎn)為巷道超前支承壓力分界點(diǎn)，將超前支護(hù)區(qū)域劃分為加強(qiáng)支護(hù)段、輔助支護(hù)段和原始支護(hù)段。

2） 通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了超前支承壓力在動(dòng)載作用下的變化與理論分析結(jié)果一致，且以彈塑性區(qū)交界點(diǎn)為界限，兩側(cè)曲線具有一定幾何規(guī)律特征。建立了動(dòng)載作用下超前支承壓力計(jì)算模型，求得動(dòng)態(tài)系數(shù)與動(dòng)態(tài)應(yīng)力之間的關(guān)系表達(dá)式。

3） 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，根據(jù)巷道超前支護(hù)區(qū)域劃分結(jié)果設(shè)計(jì)的支護(hù)方案支護(hù)效果良好，可滿足超前支護(hù)區(qū)域支護(hù)質(zhì)量要求。