霍爾辛赫3501 回風(fēng)巷塑性區(qū)演化規(guī)律與支護(hù)研究

李建功

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000）

0 引言

近年來，伴隨科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國煤炭資源需求日益增加，安全、高效生產(chǎn)成為煤礦生產(chǎn)的主要目標(biāo)之一。多數(shù)礦井采用雙巷布置方式代替原來所采用的布置方式，以此緩解礦井運(yùn)輸、通風(fēng)、工作面接替緊張等問題，但保留上工作面運(yùn)輸巷在本工作面回采時(shí)會(huì)同時(shí)受到超前支撐壓力以及上工作面采空區(qū)的側(cè)向支撐壓力疊加影響，造成留巷礦壓顯現(xiàn)劇烈且維護(hù)時(shí)間較長，故保證留巷服務(wù)期內(nèi)留巷支護(hù)穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵。我國眾多學(xué)者針對(duì)雙巷布置的巷道穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量研究。在留巷應(yīng)力分布方面，王書文等[1]通過連續(xù)6 個(gè)月現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，獲取了工作面回采過程中采空區(qū)側(cè)向支承壓力演化規(guī)律；康紅普[2]通過分析現(xiàn)場采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，論述了煤礦地應(yīng)力場分布特征、規(guī)律以及回采工作面超前支承壓力分布范圍、峰值大小。在留巷變形破壞機(jī)理方面，馬念杰等[3-5]提出了巷道非均勻應(yīng)力場條件下蝶形塑性區(qū)理論，解釋了巷道非均勻變形機(jī)理，得到了非均勻應(yīng)力場下巷道圍巖塑性區(qū)半徑計(jì)算公式；劉洪濤等[6]以實(shí)際工程為背景，通過理論分析和數(shù)值模擬，研究獲得留巷主應(yīng)力的變化規(guī)律、塑性區(qū)擴(kuò)展特征，解釋了發(fā)生非對(duì)稱變形的原因；張?zhí)斓萚7]通過現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合數(shù)值模擬和工業(yè)性實(shí)驗(yàn)研究了多次采動(dòng)巷道圍巖變形及塑性區(qū)演化規(guī)律。在巷道圍巖控制方面，王宇等[8]結(jié)合工程實(shí)際，建立工作面?zhèn)认虿蓜?dòng)應(yīng)力模型，求得側(cè)向塑性區(qū)破壞深度和采動(dòng)應(yīng)力的分布規(guī)律，提出采用非對(duì)稱錨網(wǎng)索密集支護(hù)方案；趙志強(qiáng)[9]研究了大變形回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理，提出控制圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展的原理，開發(fā)可接長錨桿-普通錨桿的協(xié)同支護(hù)技術(shù)；賈后省等[10]通過對(duì)受多次采動(dòng)影響巷道的冒頂及大變形問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度無法有效控制頂板下沉，采用高延伸率、大錨固范圍支護(hù)材料可以有效防止巷道冒頂。

本文以霍爾辛赫煤礦3501 回風(fēng)順槽為工程背景，通過數(shù)值模擬和理論分析研究受重復(fù)采動(dòng)影響下的留巷塑性區(qū)演化規(guī)律，依據(jù)塑性區(qū)分布規(guī)律，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)留巷支護(hù)參數(shù)提出優(yōu)化方案。

1 工程概況

山西霍爾辛赫煤礦3501 工作面位于山西組3 號(hào)層五盤區(qū)，工作面東側(cè)為中部風(fēng)井，南側(cè)為五盤區(qū)大巷，西側(cè)布置為3502 工作面，工作面平面布置圖如1所示。3501 工作面開采3 號(hào)煤層，煤層厚5.2～6.0 m，平均厚5.6 m，工作面外切眼長120 m，對(duì)接后切眼長246 m，工作面底板為泥巖，屬于軟弱巖層。工作面采用三巷布置，兩進(jìn)一回，分別為3501 運(yùn)輸順槽、3501進(jìn)風(fēng)順槽和3501 回風(fēng)順槽。

圖1 工作面平面布置圖

2 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)采用雙巷布置時(shí)留巷受采動(dòng)應(yīng)力影響下的塑性區(qū)分布進(jìn)行模擬，結(jié)合鉆孔柱狀圖和巖石力學(xué)參數(shù)建立采場，模型大小為603 m×500 m×65 m，對(duì)留巷所在區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格細(xì)劃為0.5 m，其余網(wǎng)格劃分為2～5 m 不等，限制模型前、后、左、右、下等五個(gè)模型表面的位移，模型設(shè)置為Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

分別模擬3501 工作面回采不同推進(jìn)距離以及3502 工作面回采不同推進(jìn)距離時(shí)留巷的塑性區(qū)分布，選取模型3501 工作面回風(fēng)順槽250 m 處作為觀察面，提取兩工作面不同推進(jìn)距離時(shí)的留巷圍巖塑性區(qū)分布情況，研究留巷受不同采動(dòng)影響下的塑性區(qū)分布演化規(guī)律，兩個(gè)工作面不同采動(dòng)影響下的塑性區(qū)分布如圖3、圖4 所示。

圖3 3501 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)留巷塑性區(qū)分布

圖4 3502 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)留巷塑性區(qū)分布

3501 工作面回采時(shí)，3501 回風(fēng)順槽受一次采動(dòng)影響，隨著工作面不斷推進(jìn)，留巷圍巖塑性區(qū)逐漸向圍巖深部擴(kuò)展，塑性區(qū)呈現(xiàn)出非對(duì)稱變形特征，推進(jìn)300 m 時(shí)巷道底板塑性區(qū)最大值偏向于巷道副幫方向，而巷道頂板塑性區(qū)最大深度處偏向于巷道正幫，呈現(xiàn)為非對(duì)稱塑性區(qū)，巷道整體塑性區(qū)往副幫與底板夾角和正幫與頂板夾角兩處呈對(duì)角發(fā)展。工作面回采推進(jìn)破壞了留巷周圍應(yīng)力分布的對(duì)稱性，造成了巷道主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)，形成塑性區(qū)的非對(duì)稱分布。

3501 工作面回采結(jié)束后，經(jīng)過留巷穩(wěn)定階段，3501 回風(fēng)順槽塑性區(qū)沒有發(fā)生新的變化。當(dāng)接續(xù)工作面3502 工作面開始回采時(shí)，工作面前方形成的超前采動(dòng)應(yīng)力打破了受一次采動(dòng)影響已經(jīng)形成的非對(duì)稱塑性變形巷道的穩(wěn)定性，使其已經(jīng)形成的塑性區(qū)發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)展。從模擬結(jié)果可以看出，隨著3502 工作面不斷推進(jìn)，留巷塑性區(qū)在原基礎(chǔ)上擴(kuò)大了破壞程度，呈現(xiàn)出了更為明顯的不均勻性和非對(duì)稱性；留巷底板塑性區(qū)與副幫塑性區(qū)形成聯(lián)通，進(jìn)一步向夾角處發(fā)展，從形態(tài)上形成旋轉(zhuǎn)的“蝶形”塑性區(qū)。

3 采動(dòng)留巷塑性區(qū)演化規(guī)律

巷道圍巖一般具有非均質(zhì)的各向異性，因此想要精確計(jì)算巷道的圍巖應(yīng)力具有一定難度。因此一般將其簡化為平面應(yīng)變問題來求解，根據(jù)文獻(xiàn)[9]中巷道圍巖應(yīng)力計(jì)算公式（1），推導(dǎo)出雙向不等壓巷道圍巖塑性邊界方程，即公式（2）。

式中：σθ、σr、τr，θ分別代表任意一點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和剪應(yīng)力，MPa；λ 為側(cè)壓系數(shù)；γH 為巷道豎向載荷，MPa；R0為圓形巷道半徑；r、θ 為任一點(diǎn)的極坐標(biāo)。

根據(jù)上述公式可以求得不同條件下巷道圍巖塑性區(qū)的不同形態(tài)特征，分析可知巷道在不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖塑性區(qū)形貌會(huì)出現(xiàn)較大差異，巷道側(cè)壓系數(shù)小于0.5 時(shí)，巷道塑性區(qū)出現(xiàn)“蝶形”，這種形態(tài)的塑性區(qū)由于其最大尺寸與最小尺寸相差較大，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。

上文中數(shù)值模擬結(jié)果中塑性區(qū)出現(xiàn)的非對(duì)稱形態(tài)可以看成是不規(guī)則的“蝶形”塑性區(qū)，“蝶形”塑性區(qū)的旋轉(zhuǎn)造成蝶葉處于頂板與兩幫夾角處，巷道圍巖塑性區(qū)的最大深度出現(xiàn)在巷道肩部偏向幫部位置，在該處容易出現(xiàn)巷道冒頂及大面積片幫，因此在支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3501 回風(fēng)順槽原支護(hù)頂板采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)形式，頂錨桿選用直徑為22 mm、長2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 100 mm×1 100 mm，錨索直徑為22 mm、長度為7 300 mm，錨索間距為1 600 mm，每隔2 200 mm 打一排；巷道兩幫采用“錨桿+鋼護(hù)板+金屬網(wǎng)”的支護(hù)方式，錨桿間排距為1 000 mm×1 100 mm，幫部金屬網(wǎng)為菱形網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格3 500 mm×1 200 mm，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，原支護(hù)平面及斷面圖如圖5 所示。

圖5 3501 回風(fēng)順槽原支護(hù)平面及斷面圖（單位：mm）

根據(jù)上文數(shù)值模擬留巷塑性區(qū)分布情況，留巷在受不同采動(dòng)影響時(shí)塑性區(qū)分布呈現(xiàn)不規(guī)則形狀；留巷在受二次采動(dòng)期間，巷道圍巖塑性區(qū)在一次采動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)生惡性擴(kuò)展，且巷道非對(duì)稱破壞現(xiàn)象加劇，在此基礎(chǔ)上原支護(hù)采用對(duì)稱支護(hù)，針對(duì)留巷出現(xiàn)的非對(duì)稱變形，原支護(hù)無法完全起到錨固作用，不能有效控制巷道因?yàn)閼?yīng)力偏轉(zhuǎn)而出現(xiàn)的大面積冒頂和變形。

針對(duì)上述問題，結(jié)合數(shù)值模擬塑性區(qū)分布以及留巷塑性區(qū)演化規(guī)律，提出留巷的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，新支護(hù)平面及斷面圖如圖6 所示。

圖6 3501 回風(fēng)順槽新支護(hù)平面及斷面圖（單位：mm）

1）結(jié)合上文數(shù)值模擬塑性區(qū)分布規(guī)律，留巷塑性區(qū)呈非對(duì)稱分布，塑性區(qū)隨工作面推進(jìn)不斷往頂板與副幫夾角以及底板和正幫夾角兩對(duì)角區(qū)域擴(kuò)展，故將巷道頂板及副幫夾角處的錨桿由原來的垂直錨固改進(jìn)為與垂線夾角呈15°斜向支護(hù)，對(duì)正幫與底板夾角處錨桿做相同處理，加強(qiáng)錨固巷道頂板與底板兩對(duì)角處圍巖破碎區(qū)。

2）鑒于二次采動(dòng)期間留巷塑性區(qū)發(fā)生進(jìn)一步惡性擴(kuò)展，因此在留巷穩(wěn)定階段，在原支護(hù)參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。補(bǔ)打錨索規(guī)格為Φ22 mm×7 300 mm，錨索間排距為2 000 mm×2 200 mm，每排補(bǔ)打2 根錨索，距兩幫最近處1 200 mm。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)留巷進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果顯示留巷受重復(fù)采動(dòng)影響，巷道圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)為非對(duì)稱破壞。

2）通過理論分析，巷道圍巖側(cè)壓系數(shù)在一定范圍時(shí)，巷道出現(xiàn)“蝶形”塑性區(qū)，圍巖塑性區(qū)越不規(guī)則，巷道穩(wěn)定性越差。

3）針對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)的非對(duì)稱破壞，提出相應(yīng)的支護(hù)方案，將肩角處的錨桿改為斜向支護(hù)，并在留巷穩(wěn)定期間補(bǔ)打頂板錨索加強(qiáng)頂板肩角處支護(hù)，有效控制了頂板大面積冒頂以及幫部片幫問題。