半煤巖巷道圍巖變形破壞分析及支護(hù)技術(shù)研究＊

張 勇 張江利 張西斌 劉珂銘 許力峰 李艷君 楊維帥

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

半煤巖巷道圍巖變形破壞分析及支護(hù)技術(shù)研究＊

張 勇 張江利 張西斌 劉珂銘 許力峰 李艷君 楊維帥

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

曙光礦專用行人巷為半煤巖巷道，巷道變形破壞嚴(yán)重。利用霍克－布朗（Hoek－Brown）強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算了專用行人巷的松動(dòng)圈范圍，并對(duì)巷道圍巖破壞進(jìn)行了巖層影像探測(cè)研究，基于松動(dòng)圈支護(hù)理論提出了相應(yīng)的支護(hù)措施，并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了現(xiàn)場觀測(cè)，取得了良好應(yīng)用效果。

半煤巖巷 霍克－布朗準(zhǔn)則 松動(dòng)圈 鉆孔探測(cè) 巷道支護(hù)

1 工程概況

曙光煤礦專用行人巷布置在3＃煤層中，沿3＃煤層底板掘進(jìn)，為半煤巖巷道，巷道圍巖均為實(shí)體，延伸段埋藏深度為380～760m。3＃煤層走向南北方向，煤層傾角為2～10°，煤層平均厚度為1.07m，煤層巖性柱狀圖見圖1。

圖1 煤層巖性柱狀圖

專用行人巷掘巷寬3.8m，凈寬3.6m，幫高1.5m，半圓拱半徑為1.9m，凈半徑1.8m。采用錨、網(wǎng)、索、噴聯(lián)合支護(hù)。錨桿呈矩型布置，間排距為900mm×900mm，頂錨桿使用?20mm×2200mm的左旋螺紋鋼錨桿，幫錨桿使用?16mm×1 8 0 0mm的A 3鋼錨桿，頂錨桿扭矩力不小于120N·m，幫錨桿扭矩力不小于90N·m。錨桿全部使用400mm×280mm的“W”鋼帶沿巷道方向連接。錨索采用?17.8mm×6500mm的鋼絞線錨索及配套錨具，間排距為1200mm×1800 mm，每排5根。鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為2150mm×1000 mm，網(wǎng)格大小為150mm×160mm，用?6.5mm的鋼筋加工而成，混凝土噴層厚度100mm。在礦井生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的支護(hù)方案下，巷道兩幫收縮嚴(yán)重，底臌量大，巷拱角巖層與煤線處發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，巖層向巷道內(nèi)突出，出現(xiàn)臺(tái)階式變形，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)運(yùn)輸。

2 巷道變形研究分析

2.1 巷道塑性區(qū)范圍分析

對(duì)于巷道圍巖塑性區(qū)的理論分析主要集中于均質(zhì)體中的圓形巷道，將巷道進(jìn)行簡化求出近似解，有利于研究巷道的變形機(jī)理。因此假設(shè)巷道為圓形巷道，且巷道周圍巖體為連續(xù)彈性體，開挖巖體的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力相等，巷道處于雙向等壓的應(yīng)力場中，在無限長的巷道里圍巖性質(zhì)一致。根據(jù)霍克－布朗（Hoek－Brown）圍巖經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則可以推導(dǎo)出圍巖塑性區(qū)半徑R的計(jì)算式：

式中：r0——巷道半徑，m；

P0——原巖應(yīng)力，MPa；

σc——巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

m、s、mr和sr——巖體的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，m和mr分別反映彈性區(qū)和塑性區(qū)巖石的軟硬程度，其取值范圍在0.0000001～25之間，對(duì)于嚴(yán)重?cái)_動(dòng)巖體取0.0000001，對(duì)于完整的堅(jiān)硬巖體取25；s和sr分別反映彈性區(qū)和塑性區(qū)巖體破碎程度，其取值范圍在0～1之間，對(duì)于破碎巖體取0，完整巖體取1。

式（1）所求R為圍巖塑性區(qū)半徑，所以巷道圍巖塑性區(qū)厚度即松動(dòng)圈厚度為LP＝R－r0。根據(jù)專用行人巷的埋藏深度及地質(zhì)情況，計(jì)算采用深度為H＝600m時(shí)的垂直應(yīng)力，所以原巖應(yīng)力P0＝γH，γ取值為25kN／m3，計(jì)算得P0值為15MPa。巷道半徑r0＝1.9m，單軸抗壓強(qiáng)度σc取值為21.5MPa，根據(jù)圍巖實(shí)際破壞情況，查巖體質(zhì)量與參數(shù)m、s的關(guān)系表，m＝3.43，s＝0.082，mr＝0.183，sr＝0.00009。將以上參數(shù)代入式（1），可以求得圍巖塑性區(qū)半徑R約為3.96，進(jìn)而得出松動(dòng)圈厚度LP≈2.06m。

2.2 巷道變形破壞的巖層影像探測(cè)研究

本次探測(cè)使用的是TYGD10型巖層鉆孔探測(cè)儀，應(yīng)用攝影和拍攝技術(shù)直接觀察鉆孔的成孔情況以及巖層變化情況，通過對(duì)巷道不同位置鉆孔的觀測(cè)，進(jìn)而得出巷道的變形破壞范圍。由于觀測(cè)所得圖像過多，且曙光礦集中巷道破壞主要體現(xiàn)在巷幫煤、巖體交界處的的巖層錯(cuò)動(dòng)破壞，因此本文僅列舉巷幫煤、巖層內(nèi)兩個(gè)典型鉆孔探測(cè)特征結(jié)果說明。煤層內(nèi)鉆孔深1.8m，巖層內(nèi)鉆孔深2.4m。從巖體內(nèi)鉆孔觀測(cè)得到的裂隙發(fā)育深度以及鉆孔變形情況可以看出，巷幫巖體的破壞范圍為0～2.3m。觀測(cè)到的圍巖破壞最大深度2.3m，與理論計(jì)算得到曙光礦專用行人巷塑性區(qū)厚度2.06m存在一定差異，其原因在于理論計(jì)算是理想圍巖應(yīng)力下的圓形巷道，而巷道實(shí)際形狀為半圓拱形，且圍巖應(yīng)力條件相對(duì)復(fù)雜。從煤體內(nèi)鉆孔觀測(cè)得到的裂隙發(fā)育深度以及鉆孔變形情況可以看出，在整個(gè)鉆孔長度范圍內(nèi)煤體的裂隙發(fā)育豐富，鉆孔變形大，破壞范圍嚴(yán)重。從兩個(gè)鉆孔所觀測(cè)到的煤巖體內(nèi)裂隙，變形和破壞情況對(duì)比可知，在半煤巖巷中，煤體的變形破壞較巖體嚴(yán)重，由此可能產(chǎn)生煤巖體的滑動(dòng)，出現(xiàn)臺(tái)階式變形。

2.3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)該礦煤巖層的實(shí)際賦存情況，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，對(duì)專用行人巷圍巖變形破壞進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)分析，巷道的支護(hù)參數(shù)采用礦上原有參數(shù)，得到巷道圍巖的應(yīng)力及塑性區(qū)分布，見圖2和圖3。由圖2可以看出，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)大范圍的應(yīng)力降低區(qū)，而距兩幫約2.5m處出現(xiàn)應(yīng)力集中，達(dá)到17.36MPa。巷道頂?shù)装遢^兩幫卸壓明顯，說明支護(hù)作用增強(qiáng)了兩幫的承載能力。從圖3可以看出，巷道圍巖塑性破壞區(qū)的發(fā)展特點(diǎn)為巷道底角及巷拱角煤線處的塑性區(qū)發(fā)展范圍大，巷道兩幫、圓拱中部以及巷道底板中部的塑性區(qū)相對(duì)較小。巷道受到較大水平應(yīng)力的影響，巷道圍巖塑性區(qū)內(nèi)主要為剪切破壞，局部為拉破壞。巷道的變形破壞范圍大，兩幫收縮量大，影響正常生產(chǎn)運(yùn)輸，需要對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2.4 半煤巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理分析

從數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)可以看出，巷道開挖后，由于地應(yīng)力的重新分布，兩幫煤巖體內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部可達(dá)17MPa以上，由于巷道所受的垂直應(yīng)力大于煤體的自身抗壓強(qiáng)度，從而導(dǎo)致巷幫煤體發(fā)生變形破壞。半煤巖巷道由于煤巖體性質(zhì)的不同以及煤巖體內(nèi)應(yīng)力分布的影響，煤巖層之間的摩擦作用小，兩分層間的抗剪強(qiáng)度及層間粘結(jié)程度低，從而使得煤巖交界處破壞范圍大，且可能發(fā)生臺(tái)階變形。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，巷道還會(huì)受到采動(dòng)影響，工作面開采活動(dòng)引起巷道圍巖應(yīng)力的重新分布，增大圍巖的變形破壞。通過實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場實(shí)踐分析認(rèn)為：巷道煤巖體的性質(zhì)、圍巖應(yīng)力分布及采動(dòng)影響是造成巷道變形破壞的主要原因。

3 巷道支護(hù)技術(shù)

通過對(duì)曙光礦半煤巖巷道圍巖變形破壞的分析，可知該巷道塑性區(qū)范圍大，圍巖變形破壞嚴(yán)重，特別是巷拱角處出現(xiàn)臺(tái)階變形，在原有的支護(hù)方案下，支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)密度均不能滿足防止巷道變形要求，需要對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加錨桿長度和密度，且由于巷拱角處的臺(tái)階變形，該處需要增大支護(hù)面積和支護(hù)整體性。在現(xiàn)場實(shí)際中發(fā)現(xiàn)錨噴網(wǎng)配合槽鋼的支護(hù)能夠取得較好的支護(hù)效果，因此支護(hù)方案采用500mm的槽鋼配合錨噴網(wǎng)支護(hù)。

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)對(duì)巷道圍巖變形破壞范圍的理論計(jì)算、現(xiàn)場實(shí)測(cè)以及破壞特點(diǎn)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究，本文依據(jù)懸吊理論設(shè)計(jì)巷道頂板支護(hù)參數(shù)，依據(jù)松動(dòng)圈理論設(shè)計(jì)巷幫支護(hù)參數(shù)，由此確定頂錨桿使用?22mm×2800mm的左旋螺紋鋼錨桿，幫錨桿使用?22 mm×2600mm的A3鋼錨桿，間排距為800mm×800mm，安裝錨桿時(shí)頂錨桿扭矩力不小于120N·m，幫錨桿扭矩力不小于90N·m。在巷道煤巖交界處即巷拱角處的幫錨桿和頂錨桿用長500mm的12＃槽鋼將巷拱角處的幫錨桿和頂錨桿連接，對(duì)巷拱角進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，增加煤巖的整體性。巷道支護(hù)斷面見圖4。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

3.2 巷道變形觀測(cè)分析

為分析支護(hù)方案改進(jìn)后巷道的變形情況，采用十字測(cè)量法對(duì)專用行人巷進(jìn)行巷道斷面變形觀測(cè)。在巷道支護(hù)方案改進(jìn)后的支護(hù)段，每隔15m布置一個(gè)測(cè)站，共布置5個(gè)測(cè)站，在每個(gè)測(cè)站的巷道兩幫中部及頂?shù)装逯胁糠謩e布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道的兩幫收斂量和頂?shù)装逡平窟M(jìn)行觀測(cè)。對(duì)觀測(cè)得到的5組數(shù)據(jù)取平均值，所得的結(jié)果如圖5所示。

圖5 巷道變形量觀測(cè)結(jié)果

通過對(duì)觀測(cè)所得數(shù)據(jù)分析可知，在觀測(cè)的100d內(nèi)，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟吭?30mm左右，兩幫的最大變形量在150mm左右，巷道兩幫收斂量和底臌量均得到有效控制，對(duì)礦井的正常安全生產(chǎn)沒有影響。

4 結(jié)論

（1）基于霍克－布朗（Hoek－Brown）強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算得到的曙光礦專用行人巷塑性區(qū)厚度約為2.06m，與運(yùn)用巖層影像探測(cè)技術(shù)對(duì)煤、巖體內(nèi)的裂隙發(fā)育情況、變形破壞進(jìn)行了觀測(cè)分析得出圍巖破壞最大深度為2.3m，兩者存在一定差異，其原因在于理論計(jì)算是理想圍巖應(yīng)力下的圓形巷道，而巷道實(shí)際形狀為半圓拱形，且圍巖應(yīng)力條件相對(duì)復(fù)雜。

（2）半煤巖巷道與煤巷或巖巷相比有其自身的特殊性，半煤巖巷道由于煤巖體性質(zhì)及煤巖體內(nèi)應(yīng)力分布的影響，煤巖層之間的摩擦作用小，兩分層間的抗剪強(qiáng)度及層間粘結(jié)程度低，從而使得煤巖交界處破壞范圍大，且可能發(fā)生臺(tái)階變形。

（3）由于半煤巖巷道在煤巖交界處發(fā)生臺(tái)階變形的特點(diǎn)，在支護(hù)時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，增加煤巖交界處煤巖體的整體性，從而可以有效控制巷道圍巖變形破壞。

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Research on supporting technology in coal－rock roadway based on the loose circle theory

Zhang Yong，Zhang Jiangli，Zhang Xibin，Liu Keming，Xu Lifeng，Li Yanjun，Yang Weishuai

（Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Aiming at the serious deformation and damage of coal－rock walking roadway in Shuguang mine，the paper works out the range of loose circle of the roadway with Hoek－Brown criterion，and conducts the image surveying study on the rock bed for the surrounding rock damage situation.Based on the loose circle supporting theory，the corresponding supporting measures is proposed，and the field observation shows that it has achieved a good application effect.

coal－rock roadway，Hoek－Brown criterion，loose circle，borehole surveying，roadway support

TD353

A

中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2011YZ05）

張勇（1968－），男，副教授，主要從事放頂煤開采、礦山壓力與巖層控制等方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）