對(duì)采空區(qū)下煤巷道錨固參數(shù)與錨固效果的研究

王安宇

（太原煤氣化嘉樂(lè)泉煤礦，山西 太原 030200）

1 前言

以地質(zhì)力學(xué)條件為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法是由近代學(xué)者建立的巷道錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該計(jì)算方法有兩個(gè)較為明顯的特點(diǎn)：①整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)通過(guò)反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋后，進(jìn)行修正的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而非初步設(shè)計(jì)一次性完成的；②設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)計(jì)算過(guò)程中提供的信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。當(dāng)取得反饋信息后，對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的修正，以確保結(jié)果的合理性。基于煤層賦存條件和圍巖結(jié)構(gòu)差異，圍巖的類(lèi)別受眾多因素的制約。即使對(duì)于相同類(lèi)別的巷道，由于主導(dǎo)因素差異也不盡相同，這就導(dǎo)致同類(lèi)巷道對(duì)錨桿支護(hù)形式與參數(shù)的要求截然不同。

另外，在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)指出：①在圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)中，沒(méi)有考慮巷道斷面的幾何特征，而大、小斷面巷道的支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)必然存在區(qū)別；②圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)中，沒(méi)有考慮近距離煤層采空區(qū)下開(kāi)采時(shí)，頂板巖層厚度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響；③根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)設(shè)計(jì)出的錨桿支護(hù)參數(shù)只在一定的參考范圍，在實(shí)際應(yīng)用中缺少較為詳細(xì)的分類(lèi)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)具體條件進(jìn)一步確定其合理支護(hù)參數(shù)。

2 煤巖層條件

嘉樂(lè)泉井田處于呂梁山隆起東翼、西山煤田平緩不對(duì)稱(chēng)向斜的北部，井田范圍構(gòu)造以褶曲為主，區(qū)內(nèi)斷層主要以延伸短、落差較小的正斷層為主。幾條大斷層處于該礦井田邊界，區(qū)內(nèi)地層走向受獅子河主向斜的控制，以北東為主，局部呈北西向。其傾角一般在5°～15°范圍內(nèi)，局部達(dá)到25°以上，井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造整體為四周向內(nèi)傾斜呈彎曲的向斜構(gòu)造。在該井田范圍內(nèi)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)地應(yīng)力測(cè)試，計(jì)算時(shí)取9號(hào)煤工作面長(zhǎng)度190 m，采高按2.5 m考慮，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板，循環(huán)進(jìn)度0.6 m.

3 計(jì)算方法與模型

采用美國(guó)大型巖土工程計(jì)算軟件FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions），彈塑性材料模型。運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，即：

式中：σ1，σ3——最大和最小主應(yīng)力；

C，準(zhǔn)——材料的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角；

σt——抗拉強(qiáng)度；

N準(zhǔn)=（1+sin準(zhǔn)）/（1-sin準(zhǔn)）。

當(dāng)fs=0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)ft=0時(shí)，材料將產(chǎn)生拉伸破壞。

順槽計(jì)算模型膠帶順槽與回風(fēng)順槽均沿9號(hào)煤層頂板布置，矩形斷面，寬×高＝3.6 m×2.5 m.模擬9號(hào)煤底板巖層厚20 m，9號(hào)煤厚2.5 m，9號(hào)煤頂板巖層厚52.5 m（9號(hào)煤與8號(hào)煤的層間距7.5 m，8號(hào)煤厚4.5 m，8號(hào)煤頂板40.5 m），即模型在高度方向的尺寸為75 m.取8號(hào)煤工作面長(zhǎng)度160 m，考慮對(duì)稱(chēng)性，取其一半80 m；取8號(hào)煤區(qū)段煤柱凈寬20 m，則模型在工作面寬度方向的尺寸為180 m.模擬8號(hào)煤工作面長(zhǎng)度220 m，在工作面推進(jìn)方向模型兩端各留30 m煤柱，則模型在工作面推進(jìn)方向的尺寸為280 m.考慮9號(hào)煤順槽位置距8號(hào)煤柱中線(xiàn)水平距離分別為0 m、15 m、25 m3種情況，計(jì)算時(shí)，先開(kāi)挖8號(hào)煤工作面1，再開(kāi)挖8號(hào)煤工作面2，形成8號(hào)煤采空區(qū)與煤柱。分別整理9號(hào)煤工作面1回風(fēng)順槽和9號(hào)煤工作面2膠帶順槽在采動(dòng)影響前，受本工作面采動(dòng)影響和受相鄰工作面采動(dòng)影響的圍巖穩(wěn)定性。

4 計(jì)算結(jié)果及其分析

4.1 采動(dòng)影響前圍巖穩(wěn)定性

4.1.1 圍巖屈服破壞特征

井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)在埋深250 m條件下，距8號(hào)煤柱中線(xiàn)（邊線(xiàn)）距離分別為 25 m（15 m），15 m（5 m），0 m（-10 m）時(shí)，9 號(hào)煤順槽圍巖屈服破壞特征。在距8號(hào)煤柱中線(xiàn)（邊線(xiàn)）距離為25 m（15 m）時(shí)，順槽頂板破壞深度為0.5 m，兩幫破壞深度為1 m，底板無(wú)破壞，錨索最大軸力為237.1 kN；在距8號(hào)煤柱中線(xiàn)（邊線(xiàn)）距離為15 m（5 m）時(shí)，頂板破壞深度為0.5 m，煤柱側(cè)巷幫破壞深度為1.5 m；在距8號(hào)煤柱中線(xiàn)（邊線(xiàn)）距離為0 m（-10 m）時(shí)，頂板破壞深度為0.5 m，兩幫破壞深度為2 m，底板破壞深度0.5 m，錨索最大軸力237.5 kN。從圍巖的屈服破壞情況來(lái)看，隨著遠(yuǎn)離8號(hào)煤柱，9號(hào)煤順槽圍巖的屈服破壞范圍變小，所以合理的順槽位置應(yīng)距8號(hào)煤柱中線(xiàn)（邊線(xiàn)）大于15 m（5 m），否則，要對(duì)9號(hào)煤順槽實(shí)施錨桿+錨索+棚架聯(lián)合支護(hù)。

4.1.2 圍巖垂直應(yīng)力分布特征

圖1（a，b，c）分別表示出在埋深250 m的條件下，距8號(hào)煤柱中線(xiàn)（邊線(xiàn)）距離為 25 m（15 m），15 m（5 m），0 m（-10 m）時(shí)，9號(hào)煤順槽圍巖垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)。從圖中可以看出，由于巷道開(kāi)挖，在順槽頂?shù)装逯行纬蓱?yīng)力降低區(qū)，這是頂板下沉和底板鼓起變形破壞所致。從巷幫垂直應(yīng)力分布情況看，9號(hào)煤順槽的合理位置應(yīng)距8號(hào)煤柱中線(xiàn)（邊線(xiàn)）25 m（15 m）及以遠(yuǎn)的采空區(qū)下。如9號(hào)煤順槽距離煤柱中線(xiàn)（邊線(xiàn)）小于25 m（15 m）時(shí)，就應(yīng)當(dāng)采用棚式加強(qiáng)支護(hù)。

圖1 采動(dòng)影響前順槽中線(xiàn)距8號(hào)煤柱中線(xiàn)不同距離時(shí)巷幫垂直應(yīng)力分布曲線(xiàn)

4.2 采動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

4.2.1 本工作面采動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

圖2表示出在250 m埋深條件下，距8號(hào)煤柱中線(xiàn)不同距離9號(hào)煤順槽頂?shù)装逡平侩S距本工作面煤壁距離變化的曲線(xiàn)。從中可以看出，隨著距8號(hào)煤柱距離的減小，9號(hào)煤順槽頂?shù)装逡平恐饾u增大，且在超前本工作面煤壁20 m處，頂?shù)装逡平棵黠@增加，此時(shí)應(yīng)對(duì)順槽進(jìn)行超前加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 距8號(hào)煤柱中線(xiàn)不同距離時(shí)，順槽頂?shù)装逡平侩S至本工作面煤壁距離的變化

4.2.2 相鄰工作面采動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

圖3表示出在埋深250 m條件下，距8號(hào)煤柱中線(xiàn)不同距離，9號(hào)煤順槽頂?shù)装逡平侩S著距相鄰工作面煤壁距離變化的變化曲線(xiàn)。從中可以看出，9號(hào)煤順槽柱隨著距8號(hào)煤柱距離的減小，頂?shù)装逡平恐饾u增大。且當(dāng)距離小于15 m時(shí)，應(yīng)對(duì)順槽進(jìn)行棚式加強(qiáng)支護(hù)。

圖3 距8號(hào)煤柱中線(xiàn)不同距離順槽頂?shù)装逡平侩S至相鄰工作面煤壁距離的變化

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：①順槽在本工作面采動(dòng)期間，超前本工作面煤壁20 m處，巷道變形明顯增加，應(yīng)及時(shí)對(duì)此處順槽進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。②順槽在相鄰工作面采動(dòng)期間，距8號(hào)煤柱小于15 m時(shí)，頂?shù)装搴蛢蓭推茐膰?yán)重，應(yīng)對(duì)順槽進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。③巷道頂板破壞以剪切破壞為主，在工作面支護(hù)設(shè)計(jì)中要將頂板兩側(cè)錨桿向外傾斜20°，同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)施工中要保證預(yù)緊力達(dá)到規(guī)程設(shè)計(jì)要求以上，并盡量提高預(yù)緊力。