全煤巷棚架支護拆卸長度及開挖順序理論分析

孫建文

(陽煤集團二礦，山西 陽泉 045000)

煤炭是我國的主要能源，在我國的一次性能源結構中煤炭所占的比重一直在70%以上，隨著我國國民經濟的飛速發展，煤炭需求日益旺盛，要求煤炭工業維持較高的產出，而煤礦生產系統設施及技術升級改造成為其提高產能主要措施之一。全煤巷道在經歷了掘進、工作面采動、二次開挖施工的劇烈影響，巷道煤層變得較為松散、破碎，圍巖的物理力學性質趨于惡化［1］。

在全煤巷道棚架支護拆卸及開挖施工前，需要正確認識巷道圍巖的結構、產狀、構造、物理力學性質等影響施工方案確定的因素，以便建立合理的力學模型［2］。本文系統地分析了全煤巷道施工全過程的圍巖應力分布、變化特征及巷道變形破壞機理，為全煤巷道棚架支護拆卸長度及開挖順序的確定提供理論指導。

1 棚架支護拆卸長度的理論分析

根據工程項目巷道頂板圍巖地質條件，確定棚架支護拆卸的理論長度，首先全煤巷道頂板最下部的煤層不發生塌落視為巷道穩定與否的重要標準。故當巷道跨度恒定不變，拆卸棚架支護長度取決于頂板下方處于懸露狀態的煤層最大穩定長度。

1)從彈性力學的角度出發，拆除支護后處于懸空狀態的煤層，可以看作四角固定的矩形薄，假設巷道的跨度為a，棚架支護拆卸長度為b，頂板煤層厚度為h，則拆卸長度計算力學模型如圖1所示。

圖1 棚架拆卸長度計算模型示意圖

2)巷道頂板穩定性條件。

根據彈性力學薄板彎曲相關理論，在均布載荷q作用下，薄板內力分布如下所示:

由彈性力學薄板結構特征可知，薄板一般為雙向板，兩個較長邊界承受的載荷大于兩個短邊界承受的載荷，且薄板在中心橫截面拉應力及彎矩最大。故薄板兩個長邊界破壞與否決定薄板破壞與否。則z=－h/2的應力分布如下所示:

由全煤巷道頂板變形破壞機理可知，拉應力在頂板破壞斷裂中起主導作用，所以，拉應力σx對作用邊界破壞起決定作用，由y=b/2及上述計算公式得，在(0，y，－h/2)及(a，y，－h/2)的最大拉應力為:

3)計算求解。

經頂板鉆孔窺視可知，在頂板0.5 m頂煤上還有近1 m的煤層，則頂煤受到的載荷q為:

將 a=2.6 m，π =3.14，σt=0.85 MPa，h=0.5 m及載荷q代入拆卸長度理論計算公式中可得:

得出:b=2.6 m

綜上所示，棚架支護拆卸的理論長度確定在2.6 m，此時理論計算假定認為兩幫煤層給予頂板充分的支撐，因此，全煤巷道棚架支護拆卸需要考慮具體施工地段的地質條件以確定合理的拆卸長度。

2 數值計算模型

通過非線性、大變形計算軟件FLAC3D動態地分析不同開挖順序造成的全煤巷道圍巖應力場分布變化特征，確定最優的開挖順序。

數值計算模型高28 m、寬50 m巷道走向長度8 m，采用理想彈塑性模型本構關系，選用Mohr－Coulomb屈服準則判斷巖體的破壞［3－5］。模型除上邊界外的5個邊界面的法向位移固定，模型上邊界施加均布壓力，大小為3.75 MPa，并且施加重力場。數值計算模型示意圖見圖2，巖層厚度及力學參數見表1。

圖2 數值計算模型示意圖

表1 數值計算巖層分布和物理力學參數表

3 結果分析

施工方法1，即第一步開挖兩幫煤層，第二步開挖頂板煤層。施工方法2，即第一步開挖頂板煤層，第二步開挖兩幫煤層。通過建立模型計算及分析兩種施工方法，第一步開挖后造成的圍巖鉛垂應力、水平應力分布及變化特征、塑性區分布范圍如圖3～8所示:

圖3 工法1第一步后鉛垂應力等值線圖

根據最大水平應力理論可知，全煤巷道圍巖水平應力有時大于鉛垂應力，此種情況下全煤巷道頂板、底板的穩定性主要取決于水平應力的影響，兩幫的穩定性主要取決于鉛垂應力的影響，而且水平應力具有明顯的方向性。

從圖3，4，5，6可知，兩種施工方法第一步開挖完成后，全煤巷道圍巖鉛垂應力、水平應力分布特征。施工方法1造成頂板、兩幫的鉛垂應力變化特征，即開挖兩幫煤層增大了巷道的跨度，鉛垂應力在巷道兩幫形成新的應力集中，開挖施工對兩幫圍巖應力場的擾動并不明顯。

施工方法2造成頂板、兩幫的鉛垂應力變化特征，即開挖頂板煤層，無形中增大了兩幫高度，而且開挖頂板煤層對兩幫煤層的應力場擾動相當明顯，而新增的兩幫煤層圍巖應力場的擾動沒有原有兩幫煤層擾動明顯。

施工方法1對頂、底板圍巖水平應力場的擾動要弱于施工方法2的影響。

從圖7，8可知，兩種施工方法第一步開挖完成后，全煤巷道圍巖塑性破壞區分布特征。運用FLAC3D的fish語言編程計算塑性破壞區體積，量化評價兩種施工方法第一步開挖施工的優劣。由于施工方法1的塑性破壞區體積約為4.89 m3，施工方法2的塑性變形破壞區體積約為6.63 m3，所以，確定為施工方法1的第一步開挖對全煤巷道圍巖應力場的擾動較小。

對比施工方法1及施工方法2的第二步開挖施工就會發現，第二步開挖施工跟第一步開挖施工完全相反，施工方法1要開挖頂板煤層，施工方法2要開挖兩幫煤層。這時頂板跨度、兩幫的高度都已增大了，再繼續開挖對全煤巷道圍巖應力場的擾動就可能超過施工方法第一步開挖施工。

4 結論

1)由于煤體的抗剪強度較低，巷道頂板煤層在水平應力作用下，易剪切破壞，從而造成煤體松散擴容，降低煤層間的黏結力，開挖施工時進一步影響煤層的穩定性，嚴重時頂板煤層離層、巖層彎曲變形乃至冒落。

2)運用彈性力學薄板彎曲理論，建立力學模型，分析并計算拆卸棚架支護合理長度確定在2 m，采取邊拆、邊開挖、邊支護的施工方法較為符合工程進度與安全的要求。

3)確定第一步開挖頂板煤層，第二步開挖兩幫煤層為最優的全煤巷道開挖工序。

［1］楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結構支護原理［M］.北京:煤炭工業出版社，2004:153－155.

［2］何 濤.全煤巷道斷面刷大開挖順序及支護方案研究［D］.太原:太原理工大學碩士學位論文，2012.

［3］梅志千，周建方，章海遠.莫爾－庫倫理論的修正及應用［J］.上海交通大學學報，2002(3):441－444.

［4］劉善均，王 韋，許唯臨.莫爾圓求解c、φ值的最佳擬合［J］.四川大學學報(工程科學版)，2002(6):40－42.

［5］王建鋒，李智毅，張欣海.巖體結構面強度的Mohr－Coulomb破壞判據與Barton破壞判據的試驗對比［J］.地球科學－中國地質大學學報，1993(4):526－528.