三軟煤層巷道圍巖自穩平衡圈分析*

黃慶享，石中情

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

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三軟煤層巷道圍巖自穩平衡圈分析*

黃慶享，石中情

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

為了揭示三軟煤層巷道底板和兩幫破壞對頂板穩定性的影響，分別建立了考慮兩幫和底板影響的巷道頂板自穩平衡拱計算模型，給出了自穩平衡拱的解析表達式，分析了巷道底板、兩幫、頂板三者的相互影響關系。研究得出，頂板平衡拱的高度與巷道等效寬度成正比，與巷道兩幫和頂板內摩擦系數成反比。兩幫破壞時，巷道等效寬度增大，頂板平衡拱高度增量與巷幫破壞深度成正比。底板破壞時，巷道等效高度增大，導致頂板平衡拱高度增加，頂板平衡拱高度增量與巷道底板破壞深度成正比。提出了三軟煤層巷道的支護原則，指出加強三軟煤層巷道兩幫和底板對提高巷道頂板穩定性具有重要作用。

三軟煤層；底板-兩幫-頂板關系；巷道等效寬度；頂板平衡拱高度；巷道平衡圈

0　引　言

煤層巷道支護設計中，重視頂板支護，輕視兩幫支護，忽視底板支護，是常見現象。究其根本原因是不清楚底板—兩幫—頂板的相互作用關系，在三軟煤層中尤其如此。國內外對軟巖巷道支護理論有較多的研究，考慮底板對兩幫及頂板影響的研究很少。實踐表明，松軟底板的變形對兩幫變形有直接影響，而進一步間接影響頂板的穩定性。國內外學者對頂板—兩幫—底板相互影響具有代表性的研究，主要有“普氏理論”[1]，巷道圍巖松動圈支護理論[2]，巷道圍巖的關鍵圈理論[3]，極限自穩平衡拱理論[4]，而更多的是對巷道頂板穩定性的研究[5-9]。目前，對底板和兩幫支護的研究發現，加強底板和兩幫支護對巷道整體穩定性具有重要作用[10-12]，但對“底板—兩幫—頂板”的相互影響機理的專門研究不多。

本論文針對三軟煤層巷道，考慮“底板—兩幫—頂板”相互影響，探索巷道圍巖平衡圈支護理論，為三軟煤層巷道支護設計提供依據。

1　三軟煤層巷道的平衡圈分析

根據河南告成煤礦三軟煤層巷道圍巖地質雷達實測，巷道圍巖松動圈形狀如圖1所示。

圖1　實測巷道圍巖松動圈Fig.1　Measured roadway failure circle (a)巷道未擴修36U+錨索支護　(b)巷道一次擴修U36+錨索支護

一般而言，圍巖自穩平衡圈指處于極限自穩狀態的巷道圍巖環狀邊界。對巷道頂板而言，近似于拉應力邊界；對于兩幫和底板而言近似于塑性區和拉破壞區邊界。一般而言，巷道圍巖松動圈大致可反映巷道圍巖自穩平衡圈的形狀。

1.1巷道頂板自然平衡拱

對于只考慮軟頂板影響的三軟煤層的軟頂板平衡拱，可借鑒俄國M.M.Продъяконов提出的“普氏拱理論”進行確定。為計算巷道頂部平衡拱高度，先要確定自然平衡拱方程，確定拱頂到軸線的距離。為了方便計算設巷道為矩形巷道，假設頂板自然平衡拱軸線是一條二次曲線，取拱左側部分為研究對象，如圖1所示。

圖2　自然平衡拱計算簡圖Fig.2　Natural equilibrium arch caculation diagram

首先在拱軸線上任取一點M(x,y)，由于自然平衡拱任意橫截面上只有軸向力而無剪力和彎矩，因此，將所有外力向點M(x,y)取彎矩。由∑M=0，得

(1)

式中q為拱頂的均布荷載，MPa；T為平衡拱拱頂截面的水平推力，MN.

由靜力平衡方程可知，T=T′，普氏認為拱腳的水平推力T′必須滿足下列要求

T′≤qaf,

(2)

式中T′為拱腳的水平推力，N； f為頂板內摩擦系數。

將T=qaf代入式(1)，可得拱軸線方程為

(3)

若巷幫穩定，x=a，頂板平衡拱高度為

(4)

式中b為兩幫穩定時的頂板平衡拱高度，m； a為巷道半寬，m； f為頂板內摩擦系數。

1.2考慮兩幫影響的巷道頂板平衡拱高度

當巷幫不穩定時，巷幫將出現塑性區。對于三軟煤層巷道，根據普氏理論進行簡化估算，軟煤幫的塑性區最大深度為

(5)

式中r1為巷幫最大塑性區深度，m； h為巷道高度，m； fb為巷幫內摩擦系數。

巷幫塑性區的出現等效于巷道寬度增加，將引起頂板平衡拱的擴大，如圖3所示。

圖3　幫破壞后的頂板平衡拱Fig.3　Roof equilibrium arch of roadway with rib failure

設巷幫破壞引起的等效巷道半寬增量為

借鑒斷裂力學裂紋端部塑性區修正長度取塑性區寬度一半的簡化方法[9]，這里取k=0.5，則巷道等效半寬為

(6)

式中a1為考慮巷幫破壞的巷道等效半寬，m.

將x=a1，y=b1，代入式(3)，可得考慮巷幫破壞的頂板平衡拱高度為

(7)

式中b1為考慮巷幫破壞的頂板平衡拱高度，m.

巷幫破壞引起的巷道頂板拱高增量為

(8)

1.3考慮底板和兩幫影響的平衡圈

對于三軟煤層巷道，底板破壞將使兩幫破壞深度加大，則巷道有效跨度也將增大，進而引起頂板平衡拱高度的進一步增大，如圖4所示。

圖4　底板和兩幫破壞時的巷道圍巖平衡圈Fig.4　Rock equilibrium circle of roadway when floor and ribs failure

設巷幫下方底板破壞等效深度為hd，巷幫等效高度為

h*=h+hd,

(9)

式中h*為考慮底板破壞的巷道等效高度，m；hd為巷道底板破壞等效深度，m.

借鑒公式(5)，設兩幫和底板內摩擦角相等，可得考慮底板破壞影響的巷幫塑性區深度為

(10)

式中r2為底板破壞的巷幫最大塑性區深度，m.

同理，此時巷道等效寬度為

(11)

式中a2為考慮底板破壞的巷道等效半寬，m.

則，考慮底板破壞影響的頂板平衡拱高度為

(12)

式中b2為考慮底板破壞的頂板平衡拱高度，m；

底板破壞引起的頂板平衡拱高度增量為

(13)

2　“底—幫—頂”相互影響分析

2.1巷幫寬度與頂板平衡拱高度的關系

圖5　巷道等效半寬與頂板平衡拱高度的關系Fig.5　Equivalent half width vs roof arch height of roadway

2.2巷幫破壞深度與頂板平衡拱高度的關系

(14)

在巷道支護實踐中，加強兩幫支護，控制兩幫破壞區的發育，可降低頂板平衡拱高度，有助于提高頂板穩定性，因此，提出巷道支護的“治頂先治幫”原則。

2.3巷幫底板破壞深度與頂板平衡拱高度的關系

3　三軟煤層巷道圍巖控制原則

工程實踐中，大多數巷道支護只重視頂板支護，忽視兩幫及底板控制，造成兩幫和頂板支護失效。根據上述分析，加強底板和兩幫的控制，有助于提高頂板的穩定性，保障巷道整體穩定。

根據自穩平衡圈理論，控制好底板和兩幫，可減小頂板垮不穩定區高度，降低頂板支護難度。三軟煤層巷道支護應當將“頂板—兩幫—底板”作為相互影響的整體進行支護設計，按照“治頂先治幫，治幫先治底”的原則進行巷道圍巖控制和維護。此外，現場支護往往忽視“幫—底”和“頂—幫”結合部(圖6中陰影區)的支護，而這些區域是巷道形成“底板—兩幫—頂板”整環控制的關鍵。

對于頂板小平衡拱高度小于錨桿長度時，可采用單一錨桿支護，錨桿長度超出平衡拱高度為宜。對于大自穩平衡拱，應配合錨索支護，錨索長度應當大于平衡拱高度，錨索間的小拱采用錨桿加固，錨索錨桿支護按照組合拱設計。

圖6　巷道支護的自穩平衡圈演化Fig.6　Roadway stable ring evolution

4　結　論

1)頂板平衡拱發育高度隨巷道等效寬度的增大而線性增大；

2)巷幫破壞相當于增加了巷道等效寬度。加強巷道兩幫支護，有助于控制頂板平衡拱高度，提高頂板的穩定性；

3)巷道底板破壞，等效于增加了巷幫高度，巷道等效寬度增量和頂板平衡拱高度增量與底板破壞深度成正比。巷道底板破壞將引起巷幫破壞加劇，進而引起巷道等效寬度增大，頂板平衡拱高度增加，頂板穩定性下降；

4)三軟煤層巷道“底板-兩幫-頂板”相互影響，巷道圍巖失穩后表現為環繞巷道的平衡圈，巷道支護的目的是控制圍巖平衡圈內巖體的穩定性。三軟煤層巷道支護應當重視對底板和兩幫的控制，遵循“治頂先治幫，治幫先治底”的原則。

References

[1]李世平.巖石力學簡明教程[M]．徐州：中國礦業學院出版社，1986.

LI Shi-ping.Concise course of rock mechanics[M].Xuzhou：China Mining University Press，1986.

[2]董方庭，宋宏偉，郭志宏，等．巷道圍巖松動圈支護理論[J]．煤炭學報，1994，19(1)：22-32．

DONG Fang-ting，SONG Hong-wei，GUO Zhi-hong，et al．Roadway support theory based on broken rock zone[J]．Journal of China Coal Society，1994，19(1)：22-32．

[3]康紅普．巷道圍巖的關鍵圈理論[J]．力學與實踐，1997，19(1)：34-36．

KANG Hong-pu．The theory of key zone surround roadway support[J]．Mechanics and Practice，1997，19(1)：34-36．

[4]黃慶享，劉玉衛.巷道圍巖支護的極限自穩平衡拱理論[J].采礦與安全工程學報，2014，31(3)：355-358.

HUANG Qing-xiang，LIU Yu-wei.The theory of limit steady equilibrium arch about roadway surrounding rock supporting[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2014，31(3)：355-358.

[5]勾攀峰，胡有光.斷層附近回采巷道頂板巖層運動特征研究[J].采礦與安全工程學報，2006，23(3)：285-288.

GOU Pan-feng，HU You-guang.Effect of faults on movement of roof rock strata in gateway[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2006，23(3)：285-288.

[6]譚云亮，王春秋，顧士坦.錨桿加固巷道頂板穩定性潛力激勵分析[J].巖石力學與工程學報，2003，22(1)：2 211-2 213.

TAN Yun-liang，WANG Chun-qiu，GU Shi-tan.Anchor reinforcement of roadway roof stability potential incentive analysis[J].Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(1)：2 211-2 213.

[7]徐劍坤，朱亞飛，宋大釗.基于剪切梁理論的爆破擾動對巷道頂板穩定性影響研究[J].中國安全生產科學技術，2013，9(7)：26-31.

XU Jian-kun，ZHU Ya-fei，SONG Da-zhao.Study on the effect of blasting on the stability of roadways disturbance based on the theory of shear beam[J].Journal of Safety Science and Technology，2013，9(7)：26-31.

[8]嚴紅，張吉雄，王思貴，等.特厚煤層巷道頂板離層關鍵影響因素模擬研究[J].采礦與安全工程學報，2014，31(5)：682-686.

YAN Hong，ZHANG Ji-xiong，WANG Si-gui，et al.Simulation study on key influencing factors to the roof abscission of the roadway with extra-thick coal seam[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2014，31(5)：682-686.

[9]黃克智.斷裂力學裂紋端部塑性區寬度等效裂紋長度的原理[J].力學與實踐，1993，15(1)：1-7.

HUANG Ke-zhi.The plastic zone width of equivalent crack length of the principle of fracture mechanics of crack tip[J].Mechanics and Practice，1993，15(1)：1-7.

[10]柏建彪，李文峰，王襄禹，等.采動巷道底鼓機理與控制技術[J].采礦與安全工程學報，2011，28(3)：1-5.

BAI Jian-biao，LI Wen-feng，WANG Xiang-yu，et al.Mechanism of floor heave and control technology of roadway induced by mining[J].Journal of Safety Science and Technology Engineering，2011，28(3)：1-5.

[11]勾攀峰，辛亞軍，申艷梅，等.深井巷道兩幫錨固體作用機理及穩定性分析[J].采礦與安全工程學報，2013，30(1)：7-13.

GOU Pan-feng，XIN Ya-jun，SHEN Yan-mei，et al.Stability analysis and mechanism of two-side anchorage body in deep mine gateway[J].Journal of Safety Science and Technology Engineering，2013，30(1)：7-13.

[12]丁國峰，王蘇健，謝文兵，等.加固頂板和兩幫控制回采巷道底臌研究[J].西安科技大學學報，2014，34(4)：384-388.

DING Guo-feng，WANG Su-jian，XIE Wen-bing，et al.Mechanism of reinforcing roof and sides for floor heave control of roadway[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(4)：384-388.

Theory of equilibrium circle of roadway in three soft coal seam

HUANG Qing-xiang，SHI Zhong-qing

(CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

In order to discover the effect of floor and rib failure on the roadway stability in the condition of three soft coal seam，the calculation models of roof equilibrium arch of roadway are established in the case of considering the effect of roof and rib failure，the formulas of roof equilibrium arch are put forward，and the influence of roadway floor on rib and roof are analyzed.It is found that the height of roof equilibrium arch is proportional to the equivalent width of the roadway，and is inversely proportional to the friction coefficient of rib and roof.When the rib is failure，the equivalent width of roadway increases，and the increment of roof equilibrium arch height is proportional to the depth of rib failure zone.When floor is failure，it causes the roadway equivalent height to increase，and result in the height increase of roof equilibrium arch，and the increment of roof equilibrium arch height is proportional to the floor failure depth.At last，the principles of roadway support in three soft coal seam are put forward，and it is pointed out that strengthen ribs and floor has important role in improving the roof stability of three soft roadway.

three soft coal seam；relationship of floor-rib-roof；equivalent width of roadway；height of roof equilibrium arch；equilibrium circle theory of roadway

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0306

1672-9315(2016)03-0331-05

2016-01-21責任編輯：劉潔

陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2011KTCQ01-41)

黃慶享(1966-)，男，新疆沙灣人，教授，博士生導師，E-mail：huangqx@xust.sn.cn

TD 353

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