掘進工作面空頂區頂板圍巖結構穩定性及關鍵影響因素分析

孟維波

（山西宏廈第一建設有限責任公司， 山西 陽泉 045008）

引言

煤礦巷道的快速掘進是保證煤礦生產接替的重要支撐，在掘進過程中遇到各種各樣的問題，王琳琳通過加固頂板理論和注漿加工工藝處理頂板破碎問題，實際應用中有良好的表現[1], 張建武在頂板、底板以及煤層復雜力學理論的基礎上，制定了有效的堅硬頂板控制方案，并得到了實驗驗證[2],楊仁樹、馬長樂等在先進掘進設備和掘進理論的基礎上，在實際掘進巷道的過程中找到了影響巷道快速掘進的因素，在支護方案的指導下實現了巷道的快速掘進[3-4]。本文從掘進巷道的空頂區切入，分析了影響其變形和位移的因素，為礦井掘進巷道處理空頂區圍巖結構提供了理論參考。

1“C+”結構與空頂區頂板關系分析

隨著巷道的掘進，根據巷道圍巖的受力狀況以及支護狀態可將掘進區域劃分為掘進迎頭區、空頂區以及支護區，如圖1所示。掘進迎頭區因為形狀類似C形，又叫迎頭C形區，迎頭C形結構由周圍以及兩幫巖體組成，支護區是巷道已經支護的區域，空頂區為迎頭C形區與支護區之間的部分，空頂區因為未進行任何支護，因此存在頂板垮落以及片幫的問題。掘進迎頭區的C形結構以及支護區的錨桿錨索支護共同支撐起了空頂區，維持空頂區的穩定性，將此結構稱為“C+”結構。如果支護區未進行及時支護，只有掘進迎頭區支撐巷道，小范圍的支撐作用并不能很好地保證空頂區的穩定，因此，在支護區與掘進迎頭區共同作用下，空頂區的頂板才能安全。

未開挖的巷道受到三向圍壓狀態處于穩定狀態，巷道開挖后，三向圍巖狀態遭到破壞，在二向應力的狀態下，巖石的整體性遭到破壞，強度也隨之降低，當巖石強度不足以承載上覆巖層重力時，受力破壞后的巖石強度進入殘余強度，此時，巖石承載的應力值一部分以變形釋放的方式表現出來，一部分以承載巖體體現，固有以下三種應力耦合狀況：

圖1 巷道掘進期間各區域垂直應力（MPa）等值線圖

1）圍巖表面破碎現象嚴重時，導致對圍巖的空間約束力不同，宏觀表現為巷道徑向受力不均，造成變形的趨向性；

2）表面圍巖的大面積破碎使裂隙不斷發育，導致圍巖應力狀態處于穩定與失穩狀態之間，在應力的作用下，裂隙不斷擴展，導致巖體的承載能力降低；

3）圍巖表面巖石破碎后，淺部圍巖起到支撐巖體的作用，長時間的應力作用下，淺部巖體承載能力得到增強。

三種應力強度耦合狀況下淺部圍巖的承載能力最終都進入到峰后狀態，淺部圍巖受到表面破碎圍巖的作用，處于偽三向圍巖狀態，峰后強度高于處于單軸加載狀態下的巖石殘余強度。淺部圍巖的變形破壞使其具有一定的承載能力，隨著承載能力的轉移，深部巖體固定位置處會出現承載能力和應力值相等的情況，深部圍巖處于彈塑性破壞區域，因此應力值不斷調整減弱與原始應力值相等。

利用FLAC3D數值模擬軟件進行數值模擬，模擬共設有120 357個單元，巷道尺寸長為5 m，寬為3.6 m，巷道的基本頂、偽頂、直接頂的巖性分別為泥巖、砂巖和粉砂巖，厚度分別為4 m、6 m、5 m。模擬得到圖2所示的掘進巷道不同斷面徑向垂直應力分布圖，從圖中可以看出，支護區巷道的垂直應力最大，其次是空頂區垂直應力，最后是迎頭應力區，三個區域內巷道垂直應力變化趨勢相似，呈漏斗狀形態，支護區的最大垂直應力達到28 MPa，當與巷道的相對距離為30 m時，垂直應力值降為0 MPa，空頂其區的最大垂直應力值為26 MPa，垂直應力最低值為0，距離巷道30 m處。掘進迎頭區垂直應力變化幅度小，應力升高區域并未出現大幅度的減少，整體區域平緩狀態，而在迎頭應力降低區域，巷道最大垂直應力值與最小值差為9 MPa。

圖2 掘進巷道不同斷面徑向垂直應力（MPa）分布圖

2 巷道圍巖塑性區發育及圍巖演化規律

從上述模擬結果可以看出，支護區和空頂區巷道垂直應力較大，因此對空頂區和支護區塑性區域進行數值模擬，模擬結果如圖3所示。圖中棕色單元體（A區）組成的區域表示巖體受剪切和拉伸破壞，粉色單元體（B區）組成的區域表示巖體正在受剪切、拉伸破壞，但是并未破壞，黃色單元體和綠色單元體（D區）組成的區域表示巖體受到了拉伸破壞；藍色單元體（C區）組成的區域表示巖體受到彈性破壞。在支護區域，塑性破壞的區域達到54 m3，在空頂區巷道斷面破壞現象嚴重，塑性破壞區域達到99 m3，塑性演化現象嚴重。在巷道頂板以及兩幫進行及時支護可緩解塑性區的演化，提高巖體的承載強度。但是圍巖一直處于高應力承載狀態，急需將塑性變形進行進一步的緩解，塑性破壞區域向巷道的頂底角發育，形成了類似橢圓形的破壞區域。在高應力的持續作用下，淺部圍巖的頂板受到拉伸破壞，因此垂直應力變化明顯，因為空頂區處于無支護狀態，且巖體多為硬度較低的煤體，所以導致塑性破壞向深部擴展，同時，幫部支撐力的降低導致頂板的支撐力減弱，進一步增加了塑性區域的發育；底板塑性區域的擴展主要是因為巷道某個斷面在某一方向應力瞬間釋放帶動剩余應力釋放形成大面積的塑性破壞區域，塑性破壞區域方向明顯，這是因為外界變形限制降低所致。

巷道掘進后，斷面在空間狀態下呈現六面體形狀，因為走向條件的一致性，因此模型可簡化成四面平面單元，得到如圖4所示的掘進巷道不同位置斷面剪切應力模擬圖，從圖中可以看出，四面平面單元每個頂角都出現剪切應力突變現象。以巷道中軸和縱軸為界限區域劃分為四個大小一樣的區域，每個區域中都表現了高切應力現象。考慮到巷道尺寸的對稱性和垂直應力影響，因此將巷道模型簡化成對稱的矢量平面模型，即巷道兩側受到的剪切應力值大小相等，反向相反。

圖4 掘進巷道不同位置斷面剪切應力（MPa）模擬圖

隨著巷道的掘進，空頂區和迎頭前方均出現了“雙核”特征，分析其原因，受采掘影響，迎頭區軸向兩側受力特征一致，在二維平面力學模型中，巷道斷面的變形是影響剪切應力的因素，迎頭附近的巖體因為受力復雜，不能簡化為對稱的平面二維力學模型，其受到斷面形狀和“C+”結構的綜合影響。因為迎頭斷面受力的原因，導致其內部巖體也承受應力，連續分布的應力在巖體周圍形成了一定范圍的內斂型高剪切應力分布區，因為空頂區處于無支護狀態，剪切應力的巖體中的傳遞作用中斷，因此造成了大范圍的外放型高剪切應力區域，所以，迎頭前方的巖體內形成了雙重高剪切應力分布圈。當空頂距離增大時，空頂區頂角、肩角處剪切應力值增加明顯，極易造成巷道的變形，同時增加了頂板垮落的危險。

3 工程應用

為了驗證數值模擬結果的準確性，對巷道支護區進行支護設計，支護參數如下：

頂板采用6根錨桿配合鋼筋梯子梁和金屬網支護，間排距900 mm×1 000 mm，幫部采用8根高性能錨桿配合鋼筋梯子梁和金屬網支護，間排距1 100 mm×1 000 mm，其他錨桿垂直巖面施工，每根幫部錨桿眼底使用1支CK2340型，外部使用1支K2340型樹脂藥卷錨固實現加長錨固，具體支護參數圖如圖5所示。

圖5 支護參數圖（未標單位：mm）

在此支護基礎上，觀察圍巖變形隨時間的變化曲線，得到圖6所示的結果。從圖中可以看出，掘進期間兩幫相對穩定位移量為103 mm，頂底板相對穩定移近量為78 mm，作業期間頂板穩定。因此證實了支護區良好的支護效果可以有效改善空頂區的圍巖變形。

圖6 圍巖變形觀測曲線

4 結論

1）掘進迎頭區“C”型支撐結構和支護區錨桿錨索支護耦合支護共同決定了空頂區頂板的破壞方式和下沉量。

2）空頂區受力復雜，新舊裂紋相互貫穿發育且在上覆巖層的重力作用下巷道變形嚴重，當巷道下位頂板的強度不足以支撐頂板載荷時，應該增強支護保證高位巖層的承載能力。

3）空頂區處于無支護狀態，當空頂區距離增加時，迎頭區和支護區之間的懸空頂板的位移得到限制，在剪切應力的作用下，空頂區頂板容易垮落，施工過程中應該注意頂板的防護。