掘進巷道圍巖變形分析與空頂時間確定

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦有限公司干河煤礦1#煤層中三采區輔助運輸巷位于+80水平西翼，與+80水平西翼三條大巷垂直布置，巷道采用綜合機械化掘進，巷道凈寬4.8m、凈高3.9m，設計長度1700 m。巷道老底、直接底、直接頂、基本頂由下至上分別為K7中粒砂巖、泥巖、砂質泥巖、K8中粒砂巖，其厚度分別為2.6m、4.6m、4.96m、3.12m，圍巖力學參數見表1。巷道掘進過程中，掘進后空頂時長一般為30 min，有時出現圍巖變形較大甚至局部片幫，通常認為是由于臨時支護不及時導致，本文將對巷道掘進過程中的空頂時間開展研究。

表1 三采區輔助運輸巷圍巖力學參數

2 巷道周邊煤巖體變形分析

2.1 煤層界面應力分布

煤層巷道施工過程中，兩側煤體因圍巖應力重新分布而產生塑性變形，巷幫煤層由淺入深分別為塑性區、彈塑性區及彈性區煤體[1-2]。煤層界面是指煤層與頂底板巖層的交界處，一般來說煤體粘聚力c和內摩擦角φ高于煤層界面的粘聚力c0和內摩擦角φ0，并且頂底板巖層泊松比μ0大于煤層泊松比μ。故巷道開挖后若不采取支護措施，會產生剪應力τxy作用于煤層界面，使煤體頂底板間擠出。煤層界面是煤體相對頂底板巖層運動時的滑移面，因此該界面上的切應力τxy與正應力σy滿足應力極限平衡方程，即滿足τxy=-|σytgφ0+c0|。并且在彈塑性區域與應力極限平衡交界位置處，即在x=x0時滿足平衡方程

式中：A為側壓系數，H為巷道埋深，k為應力集中系數，γ為覆巖的平均容重，進一步求解得到=AkHγ。

通過聯立求解上述兩個平衡方程即可得到應力極限平衡區寬度x0見式（1）。

式中：px為支護阻力；m為所掘巷道的高度；C為煤柱與頂底板交界處的粘聚力。

2.2 煤幫應力分析

巷道掘進后圍巖發生形變見圖1。

圖1 掘進巷道圍巖形變

煤體受壓變形，是從彈性變形到塑性軟化變形的過程，并且煤層在所受應力大于其極限抗壓強度后，殘留的強度仍可承載一定應力[3]。在煤幫深處x=x0處即為彈塑性交界處，這一區域煤體破壞程度低，但由于其處于屈服極限狀態導致這一部分的應力最高，屈服函數為f（σ1，σ2，σ3）。在應力極限平衡區范圍內變形是垂直應力σy=σ1產生的低圍壓作用下而變形的，這是由于該區內的垂直應力σy遠大于水平應力σx，且σ1主應力與σy之間夾角較小導致。即當x=x0時：σy=σc，εy=εc，其中σc為單軸抗壓應力極限，εc為與σc對應的應變。令x=0 即可得到σc的計算公式為：

2.3 掘進巷道圍巖變形分析

分析圖1可以得到煤體在垂直方向上產生的應變為：εy=（σc-σy）ctgθ+εc，其中進一步得到垂直方向上產生應變量εy為：

煤層在垂直方向上所受應力σy基本不發生變化，故應力作用下產生的應變εy與縱坐標y無關，因此煤體在垂直方向上的應變，即頂底板移近量為：

由于應力極限平衡區內的煤體為塑性狀態，其所產生的體積應變可忽略不計。因此，應力作用下頂底板向巷道內移近時會將煤體從幫部擠入巷道，這一部分煤體的總面積與頂底板相對移近的總面積相同。而故巷道兩幫的移近量為：

干河煤礦三采區輔助運輸巷所處煤層均厚3m，平均埋深500m，煤層界面上的粘聚力C0為28.9 kPa，摩擦角φ0為27.7°，覆巖平均容重γ取26.8 kN/m3，側壓系數A取0.5，應力集中系數k取2，將上述參數代入式（5）可得到巷道空頂時間為30 min時，頂底板移近量達0.498m，兩幫移近量達0.512 m。因此，需要在合理的空頂時間時進行支護，避免新掘巷道斷面發生較大形變。

3 合理空頂時間確定

3.1 數值模擬分析

巷道開挖后，如未及時支護，新斷面會在應力作用下發生明顯變形，本節在借鑒其他掘進巷道建模經驗[4-5]的基礎上，借助有限差分軟件FLAC3D建立數值分析模型，其模型長40m、高41.7m、寬29m，共劃分約14萬個網格，見圖2，并假定目前掘進支護空頂距為3.5m，在空頂區間內設置位移監測點，分析不同空頂時長對圍巖穩定性的影響。

圖2 模型建立

空頂40時步，即巷道開挖后4 min內圍巖的變形及應力分布見圖3。

圖3 空頂4 min 圍巖的變形及應力分布

由圖3可知：①巷道開挖后4 min內頂板下沉量及兩幫移近量呈線性增加，兩幫最大移近量與頂板最大下沉量分別為22.3 mm、12.1 mm；②掘進迎頭并未承受明顯的拉應力，空頂區內圍巖均承受一定的拉應力；③距掘進迎頭0.5～1m范圍內的變形最為明顯，該范圍內頂板及兩幫受拉應力影響產生了明顯的塑性破壞，拉伸塑性破壞深度約0.2m，頂板與幫部由于剪切力造成的塑性破壞深度為0.5 m與2 m；④空頂區域內隨著圍巖深部及兩幫距頂板中部距離的增加，所受應力逐漸減小；⑤巷道兩幫產生12.83MPa應力集中的區域距巷幫表面0.5m，掘進迎頭產生10.81MPa應力集中的區域距巷幫表面0.6 m。

空頂200時步，即巷道開挖后20 min內圍巖的變形及應力分布見圖4。

圖4 空頂20 min時圍巖的變形及應力分布

由圖4數據可知：①巷道開挖后20 min內頂板下沉量及兩幫移近量線性增加，70時步后頂板下沉量的增速降低，最終兩幫最大移近量與頂板最大下沉量分別增加至71.1 mm、42.3 mm；②掘進迎頭并未承受明顯的拉應力，空頂區內圍巖均承受一定的拉應力；③可以觀察到距掘進迎頭0.5～1m范圍內的變形最為明顯，該范圍內頂板及兩幫受拉應力影響產生了明顯的塑性破壞，拉伸塑性破壞深度約0.4m，頂板與幫部由于剪切力造成的塑性破壞深度為2 m與3.5 m；④空頂區域內隨著圍巖深部及兩幫距頂板中部距離的增加，所受應力逐漸減小；⑤巷道兩幫產生12.59MPa應力集中的區域距巷幫表面2.1m，掘進迎頭產生10.71MPa應力集中的區域距巷幫表面2.3 m。

空頂800時步，即巷道開挖后80 min內圍巖的變形及應力分布見圖5。

圖5 空頂80 min時圍巖的變形及應力分布

由圖5數據可知：①巷道開挖后20 min后兩幫移近量及頂板下沉量的增速進一步降低，40 min后基本穩定不再增加，兩幫最大移近量與頂板最大下沉量分別穩定在240.1 mm、58 mm；②進迎頭并未承受明顯的拉應力，空頂區內圍巖軍承受一定的拉應力；③可以觀察到距掘進迎頭0.5～1m范圍內的變形最為明顯，該范圍內頂板及兩幫受拉應力影響產生了明顯的塑性破壞，拉伸塑性破壞深度約0.4m，頂板與幫部由于剪切力造成的塑性破壞深度為2.5 m與5 m；④空頂區域內隨著圍巖深部及兩幫距頂板中部距離的增加，所受應力逐漸減小；⑤巷道兩幫產生12.42MPa應力集中的區域距巷幫表面3.5m，掘進迎頭產生11.29MPa應力集中的區域距巷幫表面3.0 m。

通過分析4 min、20 min、80 min空頂時長下圍巖變形及應力發現，掘進后空頂時間在4 min之內，圍巖變形速率較快，圍巖不穩定因素較多；空頂時間超過20 min后，圍巖變形增速放緩，但兩幫及頂板產生塑性破壞的深度達到2m，會造成支護時錨桿失效，因此需將掘進巷道的空頂時間控制在20 min以內。

3.2 現場實踐效果分析

在三采區輔助運輸巷掘進過程中，將空頂時間控制在20 min以內進行臨時支護作業，即在現場掘進后需要在永久支護下進行臨時支護準備作業，先將頂梁架設在機載前探支架上，并在頂梁上鋪金屬網臨時固定，空頂時間接近20 min時再將機載前探支架升起并固定臨時支護，確認安全后進行錨桿索永久支護作業、并同步布置圍巖監測測站，對該斷面的變形情況進行監測，監測結果見圖6。

圖6 圍巖變形監測結果

由圖6可以看出，三采區輔助運輸巷掘進過程中將空頂時間控制在20 min以內進行支護作業，30天內頂底板最大移近量為80 mm、兩幫最大移近量為100 mm，巷道圍巖變形量均控制在有效范圍內，臨時支護效果較好。

4 結語

1）通過理論分析，三采區輔助運輸巷掘進時空頂時間為30 min時，巷道頂底板最大移盡量為498 mm，兩幫最大移近量為512 mm，圍巖變形較大，影響新掘巷道斷面；

2）借助有限差分軟件FLAC3D分析空頂時間為4、20、80 min時圍巖的應力分布及變形情況，發現將空頂時間控制在20 min時，未支護產生的塑性區寬度不會影響支護效果，得到三采區輔助運輸巷掘進時合理的空頂時間為20 min。

3）當掘進工作面空頂時間控制在20 min時，巷道頂底板最大移盡量為80 mm，兩幫最大移近量為100 mm，巷道斷面變化較小，臨時支護效果較好。