高 尚 張延威

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)濟(jì)寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277600）

地下工程圍巖穩(wěn)定性與其自身性質(zhì)密切相關(guān)，在煤礦中巷道大部分位于煤層中，煤巷頂板相比于巖巷強(qiáng)度低、變形大，巷道頂板垂直位移往往達(dá)不到安全生產(chǎn)條件，進(jìn)而導(dǎo)致巷道災(zāi)害頻發(fā)，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。同時(shí)，巷道所處環(huán)境越來越復(fù)雜，高地應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)等不利條件對巷道圍巖穩(wěn)定性造成很大威脅[6-8]，因此，對巷道支護(hù)的要求及標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，巷道支護(hù)技術(shù)、支護(hù)機(jī)理及設(shè)計(jì)方法的研究，一直是討論的永久話題[9-11]。

為提高巷道圍巖穩(wěn)定性，大多采用錨桿、錨索對其進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者做出了大量研究。張農(nóng)等[12]通過對現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，提出了采用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力及高剛度的錨桿為支護(hù)基礎(chǔ)，來提高深埋煤巷圍巖穩(wěn)定性。陳康[13]通過現(xiàn)場富水弱膠結(jié)頂板取芯巖石試件進(jìn)行試驗(yàn)得出，巖石試件浸水24 h后即達(dá)到了飽和狀態(tài)，其單軸抗壓強(qiáng)度降低，并提出采用頂板支護(hù)錨固力增強(qiáng)優(yōu)化技術(shù)及斷面優(yōu)化等方法來提高巷道圍巖穩(wěn)定性。鄭朋強(qiáng)[14]采用等效圓方法計(jì)算得出了巷道圍巖松動(dòng)圈范圍，并利用支護(hù)優(yōu)化措施來提高巷道圍巖穩(wěn)定性，解決了陽城煤礦三采區(qū)3310工作面運(yùn)輸巷變形大、難控制等問題。郭相平等[15]對9102 回風(fēng)巷的變形機(jī)理進(jìn)行分析，提出了全錨索支護(hù)技術(shù)，并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用，經(jīng)現(xiàn)場反饋結(jié)果表明，巷道圍巖變形量得到了有效控制，并取得良好效果。受高地應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)的影響，許多煤礦巷道易發(fā)生冒頂危險(xiǎn)，錨桿、錨索可有效控制巷道圍巖變形。該文以七五煤業(yè)73上16 工作面運(yùn)輸巷為工程背景，考慮到采空區(qū)壓實(shí)效應(yīng)來確定現(xiàn)場工作人員所設(shè)計(jì)巷道支護(hù)參數(shù)是否合理，并采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行驗(yàn)證，以期為類似地質(zhì)條件下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供有益見解。

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

73上16 工作面位于73上采區(qū)南翼，設(shè)計(jì)開采煤層為3上煤層，工作面標(biāo)高-822.1～-878.5 m。

3上煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度較穩(wěn)定，可采性好，局部煤層焦化，煤（焦）厚度1.3～3.2 m，平均2.2 m。運(yùn)輸巷道頂板上覆巖層主要由細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和中細(xì)砂巖組成，平均厚度分別為2.3 m、2 m、25.1 m，底板主要由砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖組成，厚度分別達(dá)到3.5 m、23.1 m。為滿足現(xiàn)場運(yùn)輸要求，選擇巷道斷面形式為矩形，其寬度達(dá)到4.8 m，其高度達(dá)到3.2 m，面積為15.36 m2。

1.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場基于組合梁理論及懸吊理論分別對巷道頂板及兩幫錨桿、錨索的長度、間排距、材質(zhì)及直徑進(jìn)行了計(jì)算，最終確定頂板采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+W 鋼帶”作為永久支護(hù)，幫部采用“錨桿+格賓網(wǎng)+W 鋼帶”作為永久支護(hù)。巷道頂部及幫部分別采用無縱肋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，其規(guī)格均為Φ20 mm×3300 mm，間排距為1000 mm×1000 mm。巷道頂板采用2棵預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索進(jìn)行支護(hù)，其規(guī)格為Φ17.8 mm×6200 mm，間距及排距分別為1800 mm、3000 mm。采用鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，規(guī)格為Φ6.5 mm，網(wǎng)孔大小為100 mm×100 mm。巷道支護(hù)參數(shù)確定后，若直接應(yīng)用于現(xiàn)場，難度大且不可靠，而數(shù)值模擬可以很好地解決這一問題，可通過數(shù)值模擬范圍的結(jié)果來反映所設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

2 巷道圍巖松動(dòng)圈的應(yīng)力計(jì)算

地下井巷開挖后，原始的應(yīng)力狀態(tài)被打破，應(yīng)力發(fā)生重分布現(xiàn)象。巷道表面在一定范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生塑性破壞，若破壞范圍過大，則不利于圍巖穩(wěn)定，現(xiàn)場通常采用錨桿錨索加固方法來控制圍巖變形。對于巷道圍巖松動(dòng)圈的計(jì)算，大多將矩形巷道簡化為圓形巷道來進(jìn)行計(jì)算，采用柯西（Kirsh，1898）定理對其進(jìn)行求解。

當(dāng)σh=λσv時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)應(yīng)力[16]：

式中：σh、σv、λ分別代表巷道所受垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、側(cè)壓力系數(shù)；σr、σθ、τrθ分別代表巷道圍巖任意一點(diǎn)的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、剪應(yīng)力，MPa；m=r02/r12，r0、r1、θ分別代表圓形硐室半徑和圍巖塑性區(qū)中任意一點(diǎn)的極坐標(biāo)。

當(dāng)采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則計(jì)算圍巖的松動(dòng)范圍時(shí)，取Mohr-Coulomb 塑性條件[16]：

式中：Cm為圍巖體的黏聚力；φm為圍巖體的內(nèi)摩擦角。將公式（1）代入到公式（2）中整理可得：

當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ=1 時(shí)，即σh=σv時(shí)，代入式（3）

由式（4）計(jì)算可得出松動(dòng)圈半徑[16]：

為求解巷道開挖后塑性區(qū)范圍，把矩形巷道假定為圓形巷道進(jìn)行求解，若矩形巷道長度和寬度分別為2d和2c，則圓形巷道半徑的求解為[16]，r0帶入公式（5），采用此公式來解出矩形巷道兩幫和頂板松動(dòng)圈半徑。假定矩形巷道兩幫松動(dòng)圈范圍為Le、頂板的松動(dòng)圈范圍為Ls。

式中：d、c分別代表矩形巷道的高度和寬度的一半，m。

巷道的寬度和高度分別為4.8 m、3.2 m，取其一半后，即c=2.4 m、d=1.6 m，巷道r0=2.8 m、φm=20°、Cm=0.8 MPa、σv=21.25 MPa 相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)代入公式（5）求得r1=4.5 m，將r1代入公式（6）、（7）求得Ls=2.9 m、Le=2.1 m。

基于巷道松動(dòng)圈理論，計(jì)算出巷道頂板松動(dòng)圈高度為2.9 m，兩幫松動(dòng)圈范圍為2.1 m?，F(xiàn)場基于組合梁理論及懸吊理論得出巷道頂板及兩幫的錨桿長度為3.3 m，即可穿過巷道松動(dòng)圈范圍，錨固到巷道堅(jiān)硬巖層中，來提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，建立了考慮采空區(qū)壓實(shí)效應(yīng)數(shù)值試驗(yàn)方法，從巷道圍巖塑性區(qū)為評價(jià)指標(biāo)來分析圍巖穩(wěn)定性。為了有效地控制計(jì)算速度，確定數(shù)值模擬尺寸為x×y×z=300 m×280 m×100 m，模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，用以模擬上覆巖層重量需在模型中施加垂直荷載21.25 MPa，模型頂部為自由邊界，模型四周施加位移約束。

3.1 采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)特征分析

隨著73上16 工作面不斷向前回采，采空區(qū)后方頂板巖層不斷垮落，冒落巖體逐漸被壓實(shí)，其彈性模量及剛度顯著提高。被壓實(shí)的采空區(qū)矸石能夠承擔(dān)一部分上覆巖層荷載，導(dǎo)致周邊圍巖體內(nèi)的支承壓力出現(xiàn)一定程度下降。采空區(qū)壓實(shí)和未壓實(shí)效應(yīng)應(yīng)力云圖如圖1 和圖2。

圖1 采空區(qū)壓實(shí)效應(yīng)應(yīng)力云圖

通過對圖1、圖2 分析可知：采空區(qū)矸石慢慢被壓實(shí)后，應(yīng)力逐漸恢復(fù)，采空區(qū)中心區(qū)域垮落矸石應(yīng)力恢復(fù)值達(dá)到最大，并逐漸以遞減方式向采空區(qū)邊緣擴(kuò)散。采空區(qū)四個(gè)邊角及煤壁區(qū)域應(yīng)力值達(dá)到最小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵搮^(qū)域頂板巖層垮落不充分，存在一定間隙，因此造成應(yīng)力恢復(fù)值達(dá)到最小。由采空區(qū)壓實(shí)與未壓實(shí)應(yīng)力云圖對比分析可知：采空區(qū)壓實(shí)后應(yīng)力集中最大值達(dá)到15.473 MPa，未壓實(shí)后應(yīng)力最大值達(dá)到16.473 MPa，兩者相差1 MPa。這進(jìn)一步說明采空區(qū)矸石被壓實(shí)后承擔(dān)一部分上覆巖層荷載，導(dǎo)致周邊圍巖體內(nèi)的支承壓力出現(xiàn)一定程度下降。

3.2 考慮采空區(qū)壓實(shí)效應(yīng)矩形巷道圍巖塑性區(qū)破壞特征

工作面的回采過程及采空區(qū)頂板巖層垮落壓實(shí)對巷道圍巖穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生一定影響。為得出73上16 工作面回采對巷道圍巖的影響，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模擬工作面回采過程中巷道圍巖塑性區(qū)破壞特征。在模擬過程中，巷道圍巖塑性區(qū)破壞是按計(jì)算步數(shù)進(jìn)行確定，來展現(xiàn)巷道圍巖塑性區(qū)破壞全過程，如圖3。

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)破壞過程示意圖

分析圖3 可知，巷道圍巖變形是逐步發(fā)展的一個(gè)過程，如圖3（a）所示。部分巷道頂板堅(jiān)硬巖層（細(xì)砂巖）最先破壞，當(dāng)塑性區(qū)破壞到一定程度后，由于砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)松散，受采動(dòng)影響，砂質(zhì)泥巖受剪切或擠壓作用，再進(jìn)行破壞，并逐漸向兩側(cè)延伸，如圖3（b）所示。砂質(zhì)泥巖破壞區(qū)域完成后，巷道頂板堅(jiān)硬巖層（細(xì)砂巖）未發(fā)生塑性破壞區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行破壞，并與砂質(zhì)泥巖層塑性破壞區(qū)域相互貫通連接，如圖3（c）所示。

巷道圍巖頂板破壞是逐步發(fā)展的過程，未發(fā)生完全破壞的細(xì)砂巖層不能阻斷砂質(zhì)泥巖的破壞。

3.3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)合理性的驗(yàn)證

為驗(yàn)證現(xiàn)場采用組合梁理論及懸吊理論分別計(jì)算出巷道頂板及兩幫錨桿、錨索的長度、間排距、材質(zhì)及直徑的合理性，將巷道錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)代入FLAC3D數(shù)值模型中進(jìn)行計(jì)算，從而得出巷道垂直位移云圖及圍巖塑性區(qū)破壞圖，如圖4 和圖5。

圖4 巷道垂直位移云圖

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)破壞圖

分析圖4、圖5 可知，采用上述巷道支護(hù)設(shè)計(jì)后，巷道頂板位移量達(dá)到17.05 mm，底鼓量為47.992 mm。巷道頂板塑性區(qū)破壞面積減小，且錨索有效地穿過砂質(zhì)泥巖，錨固到中細(xì)砂巖中。由于砂質(zhì)泥巖硬度小，結(jié)構(gòu)松散，錨索未穿過的區(qū)域，還存在一定塑性破壞區(qū)。

4 工程實(shí)踐

現(xiàn)場按照巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)后，為驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，對巷道表面位移量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，觀測周期為80 d，所得出數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到運(yùn)輸巷表面位移曲線圖如圖6。

圖6 運(yùn)輸巷表面位移曲線圖

分析圖6 可知，巷道圍巖變形共分為3 個(gè)階段，分別為急速變形、緩慢變形及趨于穩(wěn)定，所對應(yīng)時(shí)間分別為0～35 d、35～60 d、60～80 d，巷道頂、底、左右兩幫最大位移量分別達(dá)到69 mm、58 mm、74 mm、78 mm。

5 結(jié)論

1）基于巷道松動(dòng)圈理論，計(jì)算出巷道頂板松動(dòng)圈高度為2.9 m，兩幫松動(dòng)圈范圍為2.1 m。現(xiàn)場得出巷道頂板及兩幫的錨桿長度為3.3 m，即可穿過巷道松動(dòng)圈范圍，錨固到巷道堅(jiān)硬巖層中。

2）通過建立考慮采空區(qū)壓實(shí)效應(yīng)數(shù)值試驗(yàn)方法，得出了巷道圍巖塑性區(qū)破壞過程，并根據(jù)其破壞特點(diǎn)驗(yàn)證了現(xiàn)場支護(hù)參數(shù)的合理性，有效地減少了巷道圍巖塑性破壞面積。

3）巷道圍巖變形量在≥60 d 后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道頂、底、左右兩幫最大位移量分別達(dá)到69 mm、58 mm、74 mm、78 mm，滿足巷道服務(wù)要求。