不同水平應力對U鋼支架支護巷道穩定性影響的研究

張 盛，張易飛，王云龍

(1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454001；2.山西焦煤霍州煤電汾河公司回坡底礦，山西 臨汾 041600)

構造應力是由于地殼運動在巖體中引起的應力。其主要特點是以水平應力為主，具有明顯的區域性和方向性，它是影響巷道圍巖穩定的重要因素之一[1]。當水平應力較高時，巷道頂板冒落、底板底鼓以及兩幫內擠等災害時有發生，有時會嚴重影響生產安全[2-3]。因此掌握在構造應力場中受采動影響巷道的礦壓顯現規律對研究和改善巷道的穩定性有著重要的意義[4-5]。

鶴煤公司二礦的347工作面屬于煤柱工作面，所開采煤層為二疊系山西組下部的二1煤層，屬于復雜結構煤層。盡管347工作面順槽埋深約500m，但煤柱工作面受到較高的集中應力，再加上附近經常出現的斷層和采用沿空掘巷，巷道不同地段受到較高的水平應力的作用，所采用的U36型鋼支架有不同程度的屈服變形，巷道的正常使用受到影響。

鑒于此，為了更好地掌握不同水平應力對巷道的影響，完善支護設計，本文基于鶴煤公司二礦347煤柱工作面順槽的地質條件，運用Flac3D模擬軟件，對不同側應力影響下U36型鋼支護狀態下巷道周圍的塑性區分布及其位移量變化進行了研究。

1 FLAC3D模型的建立及其參數的選取

347煤柱工作面煤層頂、底板組合層序是明顯接觸關系。老頂砂巖為淺灰色中～粗粒以石英、長石為主，次為暗色礦物，鈣質膠結，層面含碳質及白云母片，厚度8.5m；直接頂為深灰色砂質泥巖，植物化石發育，厚度2m；偽頂不發育，黑色碳質泥巖，厚度0.2m。煤層直接底為灰黑色砂質泥巖，植物根部化石發育，厚度1.5m；老底為灰色砂巖，中～厚層狀、中～粗粒、鈣質膠結以石英、長石為主，含白云母具有碳質層面水平層理，厚度31.5m。

根據鶴煤公司二礦的347工作面順槽的具體條件，該模型寬70m，高70m，巷道位于模型中央，模型下邊界設為固定約束，上邊界自由，作用垂直應力σy=∑γiHi=8.4MPa；左邊界約束；右邊界自由，作用水平應力σx=λσy(λ為側壓系數)。巖體的彈塑性分析采用Mohr-Coulomb屈服準則。U型鋼可縮性支架由二節點梁單元模擬，支架搭接部分采用等效材料方法處理。底邊為固定約束， 水平方向在一面上進行位移約束，模型沿軸向即z向沒有位移，即x、y和z三個方向上均無位移。模擬所采用的巖體力學參數經過對應的巖石進行室內試驗并進行折減，如表1所示。

表1 二1煤及頂底板巖石力學性質

2 水平應力對巷道塑性區范圍的影響

當側壓力系數λ為1～2時，347工作面上順槽圍巖塑性區分布特性如圖1所示。

圖1 不同側壓力系數下巷道塑性區分布

從圖1可以看出，當λ=1時，塑性區的單元格數為86。當λ=1.2時，塑性區的單元格數為96，頂板，底板和兩幫都有若干單元格數增加。當λ=1.4時，塑性區的單元格數為110，相對于λ=1時來說，底板單元格數增加較多。當λ=1.6時，塑性區單元格數為126，頂板和底板塑性區單元格數明顯增加。當λ=1.8時，塑性區單元格數為138，塑性區兩幫上頂板向上延伸明顯。當λ=2時，塑性區單元格數為170，此時塑性區范圍已明顯增加，尤其是頂板的兩個肩部和底板，兩幫相對較弱。當側壓力系數λ=1時，此時巷道的塑性區分布相對較均勻，底板塑性區分布較深。隨著側壓力系數以0.2的增量往上增加，U36鋼支護巷道的頂板和底板的塑性區分布較大，當側壓力系數增至2時，巷道的塑性區范圍已從原來的橢圓形發展成為無規則的發散形。

3 水平應力對巷道位移分布的影響

當側壓力系數λ為1～2時，347工作面上順槽圍巖位移分布如圖2所示。

從圖2可以看出，當λ=1時，巷道的最大位移為24mm；當λ=1.2時，巷道的最大位移為28mm；當λ=1.4時，巷道的最大位移為36mm；當λ=1.6時，巷道的最大位移為40mm；當λ=1.8時，巷道的最大位移為50mm；當λ=2時，巷道的最大位移為55mm。從整體上來講，在所采用的巖體參數模擬情況下，U36型鋼對側壓力系數在2以下的情況下對巷道的控制效果是較為理想的，但是最大位移值隨著水平應力的增大發生了1.0～2.3倍的增加，巷道頂板和底板比兩幫的變形更為嚴重，兩幫的變形較小，而頂板，尤其是巷道的肩部變形較為嚴重，底臌量增加的特別明顯。數值模擬時，假設U鋼支架與巷道表面圍巖緊密接觸，支架均勻受力，實際上，在現場支護過程中，U鋼支架與圍巖存在很多空隙，這使得支架的受力不均衡，容易引起支架局部受力而發生塑性破壞。所以，隨著水平應力的增加，支架局部應力集中的程度會更高，極容易引起支架局部失穩而破壞。如果在構造附近巖體破碎導致圍巖強度下降，在水平應力不斷增加的作用下，巷道的變形會非常劇烈，在這樣的情況下必須采取相應的加強支護措施，對巷道的肩部和柱腿進行增強支護，對于嚴重底臌巷道要進行底板支護。

圖2 不同側壓力作用下的巷道總位移變化圖

4 現場應用效果分析

運用Flac3D模擬軟件，對鶴煤公司二礦347煤柱工作面順槽在不同水平應力影響下，U36型鋼支護狀態下巷道周圍的塑性區分布及其位移量變化的進行了研究，結果表明，隨著側壓力系數的增加，巷道的塑性區和總位移在不斷增加。但是相對而言，U36型鋼對巷道兩幫的控制效果更好，隨著水平應力的增加，巷道頂板和底板比兩幫的變形更為嚴重，尤其是巷道的肩部變形較為嚴重，底臌量增加的特別明顯。

當在構造附近，或者沿采空區沿空掘巷時，此時巖體破碎，且水平構造應力較大，單純U36型鋼支護難以保證巷道的穩定，必須采取加強支護措施，根據分析重點是針對U型鋼的肩部和底板進行加強支護，當在高水平應力的影響下，要對底板進行治理，采用封閉式支架或底板注漿等措施。

由于347煤柱工作面順槽服務周期短，不適宜于進行底板注漿或封底支護。因此，針對該工作面的高水平應力條件，采用結構增強型U型鋼支護方式，支護的具體參數如圖3所示，結果表明，當采用U36結構增強型支架支護兩個月后，巷道頂底板和兩幫的最大位移量控制在了200mm以內，巷道表面的最大變形速率控制在了9mm/d以內，有效地控制了巷道的變形。

圖3 支護參數設計

5 結語

U型鋼支護是一種被動式支護方式， 隨著水平

應力的增加，巷道兩幫的變形相對較小，巷道頂板和底板比兩幫的變形更為嚴重。在高水平應力條件下，必須采取加強支護措施，尤其要對U型鋼支護的肩部和底板進行加強支護，如果在服務周期較長的高水平應力應力巷道，還必須采用封閉式支架或錨網索、底板注漿等措施要對底板進行治理。

[1] 錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制[M]．徐州：中國礦業大學出版社，2003．

[2] 勾攀峰，張振普，韋四江．不同水平應力作用下巷道圍巖破壞特征的物理模擬試驗[J]．煤炭學報，2009， 3(10)：1328-1332．

[3] 勾攀峰，韋四江，張盛．不同水平應力對巷道穩定性的模擬研究[J]．采礦與安全工程學報，2010，27(2)：143-148．

[4] 張哲，唐春安，于慶磊，等.側壓系數對圓孔周邊松動區破影響的數值試驗研究[J]．巖土力學，2009，30(2)：413-418.

[5] 單曉云，梅海斌，徐東強，等.在構造應力場中采動對底板運輸巷道穩定性的影響[J]．巖石力學與工程學報，2005，24(12)：2101-2106．