礦井巷道頂板“拱- 梁”支護結構設計研究

趙常慶

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司， 山西 朔州 036000）

引言

在煤炭行業不斷的發展過程中，安全生產問題始終是行業發展的首要問題，由于礦井內有許多不可控安全因素，要求煤礦行業技術人員將各種安全細節均要考慮在內。煤礦行業想要高質量的發展，必須避免安全生產事故的發生，同時這也是實現上下游產業快速發展的根本。由于煤礦地層大多數為層狀沉積巖，在受到地質構造作用的情況下，容易發生彎曲折斷。在煤礦開采過程中，受到該類地層的作用影響，需要對礦井巷道頂板加強支護作用，防止頂部受到地質作用后發生折斷。目前常用的頂板支護結構為錨索- 錨桿結構，通過現場實際工況觀察，該類支護結構存在一定的缺陷。因此，研究根據現場礦井頂板受力狀況以及工作面兩幫變形情況而設計的“拱- 梁”型支護結構。該結構不僅能夠對巷道頂板產生良好的支護作用，也可以減小礦井工作面兩幫的水平位移，有助于提高礦井工作面支護工作性能。“拱- 梁”型支護結構能夠應用于大多數礦井工作面頂板結構支護的現場，支護效果良好[1-2]。

1 煤礦巷道頂板變形破壞類型

礦井巷道變形所受到的破壞主要來自于周圍圍巖結構的破壞，針對不同的巷道力學特性影響，所形成的巷道變形破壞對頂板所造成的破壞機理也大為不同。據查閱相關資料可知，頂板變形破壞可以分為四類：撓曲變形分層破壞、剪切破壞、拉斷破壞、擠壓流動破壞。以下對四種破壞類型進行分析[3-4]。

1.1 撓曲變形分層破壞

該類型的頂板破壞機理主要是由于頂板之間層狀巖石結構的黏結力較弱，幾乎可以認為兩個形狀之間地質結構為簡單的疊合狀態，通過將該類型巷道頂板簡化為簡支梁結構進行力學分析，可知整體結構梁中間的撓度值最大。巖層在變形的時候主要與巖石結構的彈性模量和厚度有關，導致了垂直方向巖層上具有不同的撓度，從而出現離層現象。破壞機理的結構示意圖如圖1 所示。

圖1 離層撓曲破壞機理結構示意圖

1.2 剪切破壞

剪切破壞的結構易于理解，該類型的破壞形式可以分成兩種情況進行討論。第一種情況為在水平方向產生應力作用后，軟弱地質層就會發生剪切破壞；第二種情況是巷道局部產生了應力集中現象，當剪切應力大于巖石的抗剪強度時，就會形成相互錯動的作用面，從而產生剪切破壞作用[5-6]。

1.3 拉斷破壞

由于巖石的特殊屬性造就了巖石容易發生拉斷破壞，從力學角度分析，巖石的抗拉強度相比于抗壓和抗剪強度是最低的，在地質外部作用力的情況下，就會使巖石產生拉斷效應，從而造成礦井工作面頂板的拉斷破壞，破壞機理示意圖如圖2 所示。

1.4 擠壓流動破壞

圖2 頂板拉斷破壞機理示意圖

工作面頂板在受到水平和垂直兩個方向的作用力后就會在頂底板產生拉應力，形成拉應力分布區后就會使巷道周圍產生細微的裂紋，在長時間作用力下就會產生裂隙。隨著時間的發展就會使裂隙不斷增長，形成了裂隙網。對于整個工作面的拉應力就會出現中間的拉應力大，而兩邊的拉應力小，造成了工作面四周圍巖的擠壓流動破壞。

2 巷道頂板仿真模型的建立

2.1 力學模型的建立

在對煤礦工作面進行開挖后，工作面巷道四周的圍巖在受到開挖作用力后會形成應力重新分布狀態，圍巖在受到作用力擾動后的應力會逐步增大，最終增大到將整個巖體形成一個穩定的狀態為止，但是各個巖石體之間沒有形成相互之間的作用力，處于一種比較松散的狀態。

因此在開挖后應進行及時支護作業，不然巷道頂板就會發生比較大的變形，如果此時巖石體受到拉應力作用后就會在頂部形成一個拉應力邊界線，此時邊界線的應力交點將擴散至頂部的兩角，如果將各個邊界線進行連接就會形成拱曲線，也稱自穩隱形拱曲線。巷道工作面頂板的“拱—梁”結構示意圖如圖3 所示。

圖3 “拱- 梁”結構示意圖

2.2 仿真模型的建立

采用FLAC3D 仿真軟件對模型進行建立，建立起煤礦整體模型尺寸為5.5 m×3.8 m，擴大整體模型的建立范圍，并將模型沿著工作面縱向設置2 m的模型深度。按照實際工況條件設置邊界條件，考慮整體模型為無反射邊界條件，符合實際地質模型結構，建立起的仿真模型為理想材質，材料屬性為各項同性材料。對模型的位移進行限制，主要限制為X方向和Z 方向。對于模型的仿真本構模型為SOLID65，符合煤炭地質材料的仿真計算，具體模型示意圖如圖4 所示。

3 “拱-梁”結構支護效果

根據煤礦行業對于工作面支護方案的調研分析，為了驗證“拱- 梁”結構支護效果的優劣性，對比無支護、頂幫錨桿、錨索- 錨桿支護在支護頂板方面的工作性能。對比分析四種不同的支護形式在巷道頂板及兩幫的位移情況，如圖5、圖6 所示。

圖4 巷道工作面仿真模型示意圖

圖5 巷道頂板豎向位移對比分析示意圖

圖6 巷道兩幫位移對比分析示意圖

三種支護情況下巷道頂板最大沉降都發生在巷道頂板中心位置處，而三種不同支護情況下位移的大小也直接反映了巷道變形效果及其支護效果，可以看到巷道在無支護情況下頂板最大變形量為84.11 mm，巷道在只進行頂幫錨桿支護情況下頂板最大變形量為58.89 mm，而在進行錨索錨桿支護下頂板最大沉降量為12.51 mm。因此相對巷道不進行支護，頂幫錨桿支護情況下最大變形量降低了26.44%，而錨索錨桿支護情況下，頂板位移降低了79.22%。

當巷道進行頂幫錨桿支護后可明顯看出巷道頂板的受拉塑性區明顯減小，而采用全斷面錨索錨桿支護后，巷道頂板的受拉塑性區和受剪塑性區都明顯減小。通過軟件的內部命令可以求得巷道開挖后的塑性區面積，結果發現：無支護情況下巷道圍巖的塑性區面積為51.88 m2，頂幫錨桿支護下巷道圍巖的塑性區的面積為40.15 m2，相比于無支護情況，塑性區面積減少了22.61%。而采用錨索錨桿支護后塑性區面積為21.674 m2，相比于無支護情況，塑性區面積減少了58.22%，說明采用錨索+錨桿支護會對控制巷道變形破壞有很明顯的作用。試驗驗證結果顯示，采用“拱- 梁”支護結構可以有效控制巷道的穩定性。

4 結語

提高巷道頂板支護效果以此提升圍巖的穩定性是關系到礦井安全生產發展的重要因素之一。通過聯系實際工況條件，以大多數工作面頂板為研究對象，采用了數值模擬分析的方法對“拱- 梁”支護結構的支護工作性能進行了分析，仿真試驗結果表明“拱- 梁”支護結構在對礦井巷道頂板的支護性能方面有較大的提高。研究成果為煤礦行業研發新型支護設備提供了依據。