大傾角松軟厚煤層回風平巷支護研究

趙文宜 王國棟 顏愛華

(1.山東裕隆礦業(yè)集團有限公司唐陽煤礦，山東省曲阜市，273100；2.國家安全生產監(jiān)督管理總局研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

1 工程概況

1.1 支護方式

杜家村礦井田地層基本構造形態(tài)為一單斜構造，地層傾角30～35°，最大45°，地層較簡單。主采2＃煤層，直接頂和直接底多為泥巖、粉砂巖，較破碎，煤層松軟。杜家村礦1201南回風平巷為近似矩形的梯形斷面形式，破底板掘進。采用前探梁臨時支護，工字鋼棚永久支護形式。巷道的斷面及支護示意圖如圖1所示。

1.2 變形破壞特征

1201巷道沿煤層的底板掘進，頂板和兩幫圍巖絕大部分都是松軟的煤體，巷道成形初期，圍巖應力重新分布并產生一定量的變形，經過一個月后開始逐漸穩(wěn)定，這一時期的變形主要表現為頂板的下沉，部分棚頭的中部產生彎曲變形。

圖1 1201南回風平巷支護斷面示意力圖

｀巷道成形3～4個月以后，巷道變形又開始加劇，破壞形式突出表現為頂板下沉量大，部分地段工字鋼棚扭曲嚴重，支護剛度被破壞，頂棚沿巷道走向方向扭曲，棚腿也出現沿巷道表面滑移的情況，部分背板被折斷。

回采期間，觀測點在距離工作面煤壁110～90m時變形很小，處于回采影響范圍以外；距離工作面煤壁小于90m以后，兩幫收斂量和頂底板收斂量增速加大，說明巷道變形已經處于回采影響范圍以內；距離煤壁距離小于25m時，巷道變形量急劇增加，特別是在20～5m的范圍內，工作面每推進1m，兩幫平均收斂38mm，頂底板平均收斂21mm。

2 1201南回風平巷變形機理分析

2.1 巷道斷面因素

1201巷道斷面為梯形，在有拐角的地方有較大的應力集中；在直長邊容易出現拉應力。1201南回風平巷采用近矩形斷面，并且巷道寬度大于高度，因此，巷道的頂、底板容易出現拉應力區(qū)。該巷道的頂板是松軟的煤體，抗拉強度極低，在較低水平的拉應力下就會發(fā)生破壞，圍巖破壞以后會發(fā)生碎脹，繼而對支護體產生較大的附加應力，應力增大到一定程度，鋼棚發(fā)生剛度破壞，如果不及時控制圍巖繼續(xù)變形，破碎的煤體會不斷從金屬網孔間漏出，并有可能引發(fā)冒頂。

2.2 支護方式因素

(1)1201南回風巷采用的是礦用工字鋼金屬支架支護，巷道變形量大且持續(xù)時間長，說明巷道支架-圍巖系統(tǒng)處于給定變形狀態(tài)。由于圍巖變形過大，支架應力過大造成支架扭曲。

(2)巷道采用的是一次永久支護，支架在給定變形狀態(tài)下支護阻力不斷增大，當附加應力超過一定值時，支架破壞。

(3)由于支架棚頭和棚腿之間是焊接的，可縮性很小。隨著圍巖的變形，支架不能夠適時收縮以適應圍巖的一定變形，導致支架-圍巖系統(tǒng)不能達到耦合，不能夠充分發(fā)揮支架的支護效果。

(4)支架不具備初始工作阻力。支架架設后沒有進行壁后充填和噴射混凝土，而只是在支架后方加塞水泥背板，這種方式基本上不能夠提供初始工作阻力，只是被動地承受圍巖的變形。

上述原因說明1201南回風巷采用的支護形式不能適應巷道特殊的地質條件和斷面形式。

3 回風平巷支護方式研究

3.1 新的巷道斷面和支護方式的提出

分析本礦現在巷道的各種支護方案，比較后提出直墻切圓拱斷面適中，可減少無效使用斷面，同時減少掘進工作量和支護材料消耗，還能夠使巷道頂部圍巖處于較好的受力狀態(tài)。由于錨桿支護兼有主動支護和柔性支護的特點，結合巷道的地質和圍巖條件可考慮采用錨帶網＋錨索支護的形式，見圖2。

圖2 巷道斷面及支護方式

3.2 錨帶網＋錨索支護數值模擬研究

運用FLAC3D分別模擬了巷道開挖以后在無支護狀態(tài)和錨帶網＋錨索支護狀態(tài)下巷道的變形和圍巖應力分布特點。有支護的巷道采用?20mm×2500mm錨桿、全錨方式，并在頂板采用?15.24mm×7000mm錨索、“五花”式布置，排距2400mm；用軟件中內置的梁單元模擬目前礦上常用的尺寸為寬280mm、厚5mm的 “W”型鋼帶。

3.3 模擬結果

3.3.1 最大變形量

由模擬結果可知，無支護時圍巖的最大變形量集中在拱頂左側和左幫上部，最大變形量為576.3mm；支護狀態(tài)下圍巖最大變形量集中在左幫上部，最大變形量為239.42mm，可見，支護有效控制了圍巖變形。由于拱頂有錨索的加強支護，拱頂的最大變形量在200mm左右，拱頂兩根錨桿之間變形量大于錨桿處的變形量，變形云圖顯示沿鋼帶出現波浪狀的花紋，這說明錨桿和鋼帶的聯合支護作用得到有效地發(fā)揮。支護后左幫上部與拱頂相連的部位變形量最大，這個部位的錨桿會承受較大的變形附加力，現場中，這個部位的錨桿的托盤可能會因不能承受過大的托錨力而出現破壞。

3.3.2 圍巖垂直位移

圍巖垂直位移主要集中在頂底板，頂板部分煤體圍巖的變形量明顯大于巖體圍巖，兩種狀態(tài)下頂板的最大下沉量分別為548.28mm和202.46mm，底板的最大鼓起量分別為163.06mm和112.52 mm，支護以后圍巖的整體垂直位移得到了有效地控制。模擬計算過程中監(jiān)測了拱頂和底板中部位置的變形過程，把變形數據導出繪制成變形量隨計算時步變化曲線，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點圍巖垂直位移曲線圖

底板中部位于煤體和巖體的交界處，支護前后底臌量變化不大，只有4.5mm左右，遠小于煤體圍巖底臌量。底板中部鼓起量達到最大值后開始減小，經過1000時步后又有少量的反彈。這是因為底板巖體變形到一定程度基本不再繼續(xù)變形，而由于煤體較軟，會繼續(xù)變形而引起圍巖的整體沉降，圍巖的整體變形和局部變形合成導致底板監(jiān)測點絕對位移出現這種特點。支護前后底板監(jiān)測點的位移變化規(guī)律是相似的，但支護后底臌量有一定程度的降低，說明支護對抑制底臌也起到一定作用。支護前后，頂板監(jiān)測點垂直位移變化較大，從540mm下降至120mm。從監(jiān)測點頂板下沉量變化曲線看出，在2800時步之前，兩種狀態(tài)下的頂板下沉是一致的，之后則截然不同，無支護狀態(tài)下頂板繼續(xù)“高速”下沉，經過幾次調整以后，到5500時步時開始穩(wěn)定下來；在支護狀態(tài)下，頂板下沉速率變得很小，到4500時步時就開始穩(wěn)定下來。

3.3.3 圍巖的水平位移

分析圍巖的水平位移可知，無支護狀態(tài)下，水平位移量大的部位主要集中在巷道的左幫和右?guī)蜕喜繃鷰r，即煤體圍巖部分。左幫中上部最大水平位移量488.58mm，右?guī)蜕喜孔畲笏轿灰屏?66.01mm。支護狀態(tài)下，圍巖的水平位移量得到有效控制，特別是右?guī)蛡软敯鍘r體內的水平位移控制效果明顯，左幫上部最大水平位移量228.36mm，右?guī)妥畲笏轿灰屏?73.87mm。可見，支護以后圍巖的水平位移也得到了有效控制。兩幫中部監(jiān)測點水平位移隨時步變化的曲線如圖4所示。

右?guī)捅O(jiān)測點位于巖體圍巖部位，支護前后位移量都只有5mm左右，遠小于左幫監(jiān)測點位移。和頂底板的垂直位移變化規(guī)律相似，在2800時步之前，位移都在相對較高的速率下發(fā)生，這之后，無支護狀態(tài)下兩幫繼續(xù)在較高的速率下變形，直至5000時步時開始穩(wěn)定下來，支護狀態(tài)下則位移速率減小，至4500時步就開始穩(wěn)定下來。支護對控制左幫煤體的位移非常明顯，而對右?guī)蛶r體部分的位移控制相對不明顯。

因為錨桿、錨索都具有一定的延伸率，圍巖變形初期，支護體產生彈性變形，允許圍巖有一定量的變形，體現 “主動支護”和 “柔性支護”的特點，當超過錨桿 (索)的彈性極限以后，錨桿(索)體現應變強化的特點，支護體限制圍巖的繼續(xù)變形，相當于對巷道進行了 “二次支護”。因此，錨帶網＋錨索支護方式對控制圍巖的變形具有比較理想的效果。

3.3.4 圍巖的最大主應力

分析巷道圍巖的最大主應力可知，無支護狀態(tài)下，煤體圍巖中最大主應力為拉應力的區(qū)域，特別是沿頂板方向和左幫方向，拉應力的延伸深度可達巷道寬度的2～3倍。支護狀態(tài)下，圍巖中最大主應力為拉應力區(qū)的范圍明顯減少，且拉應力區(qū)都處于錨桿錨固范圍以內。無支護狀態(tài)下最大主應力中的最大拉應力為1.05kPa；支護后的最大拉應力為160.7kPa。可見，支護前圍巖中最大主應力為拉應力的區(qū)域范圍較大但應力數值很小，支護以后最大主應力為拉應力的區(qū)域范圍明顯減小，但應力數值相對較大。

圖4 監(jiān)測點圍巖水平位移曲線圖

3.3.5 最小主應力

分析最小主應力可知，對比兩種狀態(tài)下的應力云圖可知，圍巖中最小主應力為拉應力的部位都集中在底板右側和右?guī)偷南虏康葘儆诘装鍌葞r體的部位，范圍大小大致相同。無支護狀態(tài)下的最大拉應力數值為0.59MPa，支護后的最大拉應力數值為0.88MPa，變化較小，但相比之下，支護以后圍巖中最小主應力的壓應力數值普遍升高，應力梯度加大，使應力在較小的圍巖范圍內過渡到原巖應力水平。

通過對兩種狀態(tài)下圍巖主應力的分析可知，錨桿支護后可以明顯減少圍巖中的拉應力分布范圍，可以使圍巖處于相對較高的壓應力狀態(tài)，對改善巷道圍巖的應力狀態(tài)效果顯著。

3.3.6 圍巖塑性區(qū)分布

支護以后圍巖塑性區(qū)明顯減小，特別是其在煤體中的發(fā)展得到了較好的控制。兩種狀態(tài)下，深部圍巖的塑性破壞主要以剪切破壞為主；淺部圍巖中，兩幫和底板都發(fā)生拉破壞，但拱頂部分都沒有發(fā)生拉破壞，說明拱形頂可以使圍巖處于較好的受力狀態(tài)以避免發(fā)生拉破壞。

綜合分析巷道在無支護狀態(tài)和錨帶網＋錨索支護狀態(tài)下圍巖的變形、應力分布和塑性破壞的不同點得知，新提出的支護形式能夠有效改善巷道圍巖中的應力狀態(tài)和控制圍巖破壞和變形。

4 應用效果

采用錨帶網＋錨索支護方式以后，對巷道的變形情況進行了監(jiān)測，監(jiān)測結果見表1。

表1 1201北回風巷表面位移觀測匯總

觀測過程中，2＃、4＃測站附近出現淋水，進行了復棚加強支護后基本穩(wěn)定，其它測站附近巷道開掘后達到穩(wěn)定所需要的時間在30～40d之間。變形體現出頂底板移近量一般都大于兩幫移近量的特點；頂板淋水對巷道變形影響較嚴重，出現淋水后圍巖變形加速，需要復棚加強支護。

采用新的支護方式以后，巷道變形得到控制，效果明顯好于棚式支護方式。

5 結論

(1)巷道采用寬度大于高度的矩形斷面會使圍巖處于較差的應力狀態(tài)；架棚與巷道圍巖不能實現變形耦合，巷道變形的附加應力容易使鋼棚破壞而失去支護作用，這是巷道產生大變形的主要原因。

(2)采用直墻切圓拱形斷面可使巷道圍巖處于較好的應力狀態(tài)，為避免圍巖產生大變形提供了支護基礎。

(3)采用錨帶網＋錨索的支護形式可有效控制大傾角松軟煤層圍巖變形，可使圍巖處于較高的三向壓應力狀態(tài)，極大減少圍巖中拉應力的存在，可較大程度上減少圍巖塑性區(qū)破壞范圍，總體支護效果較棚式支護好。

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