文家坡煤礦回采巷道底板破壞深度研究

王樹明，王磊

(陜西彬長文家坡礦業有限公司，陜西 咸陽市 713500)

0 引言

隨著開采規模和開采深度的不斷加大，礦山回采巷道底板在復雜的工程地質條件和煤幫支承壓力的綜合影響下極易發生變形破壞，對底板的有效控制成為亟待解決的技術難題，因此，眾多專家和技術人員對底板變形破壞機理進行了長期系統的研究。康紅普等[1-3]認為底板巖層的撓曲、偏應力作用及巖石遇水軟化是巷道底鼓的主要成因；文志杰等[4]通過建立底鼓力學分析模型得出了影響巷道底鼓量的主要因素是底板超挖深度和反底拱伸出段長度；谷拴成等[5]基于黏彈性流變模型推導出巷道底板底鼓量隨時間變化的規律；SUN Jin[6]通過數值模擬軟件研究得出切槽卸壓能有效控制巷道底鼓的結論；TSANG P等[7]建立了底板巖梁力學模型，認為底板的破壞可分為剪切破壞和拉伸破壞 2種模式；賀永年等[8]通過現場監測發現巷道底鼓是由頂板壓力通過兩幫傳遞到底板后導致兩幫和底板協同下沉，并且提出利用實測參數估算底鼓的各變形分量；王衛軍等[9]認為工作面超前支承壓力是巷道底鼓的主要影響因素，加固幫、角可有效提高回采巷道圍巖的整體穩定性；于遠祥等[10]運用極限平衡方法討論了巷道兩幫煤體荷載傳遞機理及其極限平衡區。上述研究成果對底鼓災害的有效控制發揮了積極的指導作用，但由于煤礦巷道應力狀況和圍巖性質的復雜性，至今尚沒有統一的認識，從而導致底鼓控制措施的盲目性和對經驗的依賴性，使得底鼓治理效果并不理想。實際上，對底板而言，兩幫煤體起著傳遞應力的作用，底鼓的發生及發展與兩幫支承壓力的分布密切相關。

因此，本文基于彈性基礎梁模型來分析支承壓力作用下文家坡煤礦 4102運順煤幫的變形規律，在確定極限平衡區寬度的基礎上討論其底板的最大破壞深度，進而為該巷道煤幫及底板的支護設計提供科學的理論依據。

1 工程力學模型

1.1 巷道煤幫及底板變形破壞現狀

文家坡煤礦地處陜西省彬州市境內，該礦4102運順巷道是一設計斷面尺寸為寬5 m×高3 m的矩形巷道，巷道沿4煤層底板掘進，煤層厚度為2.9～3.3 m，埋深為534.3～741.3 m，直接頂為中粒砂巖，厚度為22.26 m；老頂為泥質粉砂巖，厚度為24.9 m；直接底為細粒砂巖，厚度為5.98 m，遇水易泥化。老底為泥質粉砂巖，厚度為8.17 m。

4102運順現場調查結果表明，該巷道里程1255～1278 m區間段，開挖后不久即發生不同程度的變形破壞，主要表現為較為嚴重的兩幫鼓出和底板隆起，導致支護困難。

1.2 巷道圍巖物理力學參數試驗分析

為研究4102運順4煤層圍巖力學特性，通過在巷道內進行現場采樣并在室內加工制作標準試件進行試驗測試，所得煤樣基本物理力學參數見表1。

表1 4102運順煤體物理力學參數

工程實踐表明，巷道圍巖變形的基本因素包括自然因素和人為因素兩方面。由現場調查和室內試驗結果可知，文家坡煤礦4102運順4煤呈半暗型煤，絲綢-油脂光澤，階梯-參差狀斷口，局部可見裂隙，內充填黃鐵礦薄膜；直接底呈灰白色，中厚層狀，局部斜層理，層面可見個別煤屑，中部夾有粉砂巖薄層。該巷道煤幫及底板的變形破壞與煤幫及底板巖體的巖性密切相關。

1.3 巷道煤幫力學模型

現場調查表明，文家坡煤礦巷道的底鼓類型屬于擠壓流動性底鼓。4102運順開挖后，圍巖壓力重新分布，兩幫一定范圍煤體所受垂直應力增高，形成支承壓力。當煤體較為松軟時，煤幫邊緣將首先向巷道內鼓出。文家坡煤礦巷道的擠壓流動性底鼓模型如圖1所示。

圖1 煤幫支承壓力分布模型

以巷道單位縱向深度的煤幫巖體作為分析對象，由于煤幫極限平衡區寬度遠小于巷道縱向長度，因此，建立煤幫平面應變分析模型如圖2所示。

圖2 煤幫彈性地基梁計算模型

2 支承壓力作用下煤幫變形分析

2.1 極限平衡區支承壓力下煤幫變形分析

當僅考慮煤幫極限平衡區上方支承壓力下煤體任一截面i的變形時，其計算模型如圖3所示。

圖3 極限平衡區巖體內力分析

由三角關系可知截面i處的支承壓力為：

式中，k1、γ及H分別為應力集中系數、上覆巖層平均容重和埋深。

設截面i處為原點，且向右為正，則在區間τ上支承壓力的分布為：

式中，τ≤x≤0。

同理可得支承壓力在區間s上的分布規律為：

式中，0≤x≤s。

在煤幫極限平衡區取 dx段煤體進行研究，其受力模型如圖4所示。

圖4 煤幫微單元體分析模型[10]

將q(x)dx作為集中荷載，則由彈性地基梁在集中荷載作用下的解可得 4102運順煤幫極限平衡區內任一單元巖體的內力解。

由集中荷載下彈性地基梁模型的剪力解析解可得任一單元巖體剪力v1為：

式中，λ為回采巷道兩幫下臥底板的彈性特征值，

2.2 彈性區支承壓力下煤幫變形分析

支承壓力下彈性區巖體的內力分析模型如圖 5所示。

圖5 彈性區巖體內力分析

為便于討論，可將支承壓力簡化為三角形荷載和均布荷載兩種工況。均布荷載下任一單元巖體的剪力V2為：

三角形荷載下任一截面i的剪力V3為：

3 煤幫極限平衡區寬度分析

由圖 1可知，在巷幫彈塑性截面上，τ=x0，s=0。由式（4）～式（7）可得彈塑性界面上總的剪應力為：

由應力極限平衡原理可知，當煤幫彈塑性界面上的巖體所受應力達到極限平衡時將產生剪切滑移，然后擠壓底板并形成底鼓。

4 巷道底板巖體破壞深度計算

巷道煤幫將頂板支承壓力傳遞給巷道底板的滑移線場模型如圖6所示。

圖6 巷道底板滑移線場模型

為便于討論底板破壞深度，建立簡化后底板巖體力學分析模型如圖7所示。

圖7中的兩組直線分別為主動極限區aa′b和被動極限區acd的滑移線，而a′c為對數螺線。設底板巖體的內摩擦角為1φ，對數螺線方程為：

圖7 巷道底板力學計算模型[11]

由圖7可得：

同理，在Δoae中，有：

對于Δdac仍可簡化為等腰三角形，其中：

將式（16）代入式（11）即可得到：

把式（10）和式（20）代入式（17）得到巷道底板巖體最大破壞深度hmax：

此外，利用Δoae還可求得最大破壞深度距煤幫表面的水平距離：

將式（16）和式（20）代入式（22）可得：

5 巷道底板破壞深度計算

5.1 煤幫極限平衡區寬度分析

為有效控制巷道兩幫及底板的變形破壞，在此運用式（8）來確定煤幫的極限平衡區范圍，將表1中各已知參數代入式（8），并利用matlab數值分析軟件求得文家坡煤礦4102運順1255～1278 m區間段的煤幫極限平衡區寬度為2.95 m。

5.2 巷道底板破壞深度分析

結合上述煤幫極限平衡區的計算結果，當底板巖體內摩擦角φ1=10°時，由式（21）得最大破壞深度hmax為：

將hmax= 2 .63 m 代入式（23）得最大破壞深度hmax距相應巷道煤幫壁的距離為：

在確定運輸順槽煤幫極限平衡區寬度及底板最大破壞深度的基礎上，合理設計錨桿（索）的支護參數并對巷道兩幫及底板進行了加固處理。監測結果表明，加固后巷道圍巖變形速率顯著降低，圍巖穩定性得到明顯改善。

6 結論

（1）將回采巷道煤幫支承壓力的曲線分布形式改為線性分布，建立了回采巷道煤幫的彈性地基梁受力模型。綜合考慮極限平衡區和彈性區上方頂板支承壓力對煤體變形的影響，給出了煤幫任一界面上的剪力計算方法。

（2）回采巷道兩幫煤體在支承壓力下塑性流動的實質是煤幫彈塑性界面上煤體所受的剪應力超過其抗剪強度，得到了巷道埋深、頂板上覆巖層容重、煤幫應力集中系數、煤體極限平衡區和彈性區的寬度、回采巷道兩幫下底板的彈性特征值及煤體抗剪強度的關系式。

（3）利用上述方法計算了文家坡煤礦4102運順巷道煤幫極限平衡區寬度和底板破壞深度，為合理確定該巷道圍巖支護參數提供了科學可靠的理論依據。