考慮采空區(qū)壓實效應的矩形巷道支護設計研究及應用

高 尚 張延威

（棗莊礦業(yè)集團濟寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 277600）

地下工程圍巖穩(wěn)定性與其自身性質密切相關，在煤礦中巷道大部分位于煤層中，煤巷頂板相比于巖巷強度低、變形大，巷道頂板垂直位移往往達不到安全生產條件，進而導致巷道災害頻發(fā)，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失[1-5]。同時，巷道所處環(huán)境越來越復雜，高地應力、強采動等不利條件對巷道圍巖穩(wěn)定性造成很大威脅[6-8]，因此，對巷道支護的要求及標準也越來越高，巷道支護技術、支護機理及設計方法的研究，一直是討論的永久話題[9-11]。

為提高巷道圍巖穩(wěn)定性，大多采用錨桿、錨索對其進行支護設計，國內外學者做出了大量研究。張農等[12]通過對現(xiàn)場進行試驗，提出了采用高強度、高預應力及高剛度的錨桿為支護基礎，來提高深埋煤巷圍巖穩(wěn)定性。陳康[13]通過現(xiàn)場富水弱膠結頂板取芯巖石試件進行試驗得出，巖石試件浸水24 h后即達到了飽和狀態(tài)，其單軸抗壓強度降低，并提出采用頂板支護錨固力增強優(yōu)化技術及斷面優(yōu)化等方法來提高巷道圍巖穩(wěn)定性。鄭朋強[14]采用等效圓方法計算得出了巷道圍巖松動圈范圍，并利用支護優(yōu)化措施來提高巷道圍巖穩(wěn)定性，解決了陽城煤礦三采區(qū)3310工作面運輸巷變形大、難控制等問題。郭相平等[15]對9102 回風巷的變形機理進行分析，提出了全錨索支護技術，并在現(xiàn)場進行了應用，經(jīng)現(xiàn)場反饋結果表明，巷道圍巖變形量得到了有效控制，并取得良好效果。受高地應力、強采動的影響，許多煤礦巷道易發(fā)生冒頂危險，錨桿、錨索可有效控制巷道圍巖變形。該文以七五煤業(yè)73上16 工作面運輸巷為工程背景，考慮到采空區(qū)壓實效應來確定現(xiàn)場工作人員所設計巷道支護參數(shù)是否合理，并采用數(shù)值模擬手段進行驗證，以期為類似地質條件下巷道支護設計提供有益見解。

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

73上16 工作面位于73上采區(qū)南翼，設計開采煤層為3上煤層，工作面標高-822.1～-878.5 m。

3上煤層結構簡單，厚度較穩(wěn)定，可采性好，局部煤層焦化，煤（焦）厚度1.3～3.2 m，平均2.2 m。運輸巷道頂板上覆巖層主要由細砂巖、砂質泥巖和中細砂巖組成，平均厚度分別為2.3 m、2 m、25.1 m，底板主要由砂質泥巖和中粒砂巖組成，厚度分別達到3.5 m、23.1 m。為滿足現(xiàn)場運輸要求，選擇巷道斷面形式為矩形，其寬度達到4.8 m，其高度達到3.2 m，面積為15.36 m2。

1.2 巷道支護設計

現(xiàn)場基于組合梁理論及懸吊理論分別對巷道頂板及兩幫錨桿、錨索的長度、間排距、材質及直徑進行了計算，最終確定頂板采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+W 鋼帶”作為永久支護，幫部采用“錨桿+格賓網(wǎng)+W 鋼帶”作為永久支護。巷道頂部及幫部分別采用無縱肋螺紋鋼錨桿進行支護，其規(guī)格均為Φ20 mm×3300 mm，間排距為1000 mm×1000 mm。巷道頂板采用2棵預應力鋼絞線錨索進行支護，其規(guī)格為Φ17.8 mm×6200 mm，間距及排距分別為1800 mm、3000 mm。采用鋼筋網(wǎng)進行護表，規(guī)格為Φ6.5 mm，網(wǎng)孔大小為100 mm×100 mm。巷道支護參數(shù)確定后，若直接應用于現(xiàn)場，難度大且不可靠，而數(shù)值模擬可以很好地解決這一問題，可通過數(shù)值模擬范圍的結果來反映所設計參數(shù)的合理性。

2 巷道圍巖松動圈的應力計算

地下井巷開挖后，原始的應力狀態(tài)被打破，應力發(fā)生重分布現(xiàn)象。巷道表面在一定范圍內會產生塑性破壞，若破壞范圍過大，則不利于圍巖穩(wěn)定，現(xiàn)場通常采用錨桿錨索加固方法來控制圍巖變形。對于巷道圍巖松動圈的計算，大多將矩形巷道簡化為圓形巷道來進行計算，采用柯西（Kirsh，1898）定理對其進行求解。

當σh=λσv時，巷道圍巖塑性區(qū)應力[16]：

式中：σh、σv、λ分別代表巷道所受垂直應力、水平應力、側壓力系數(shù)；σr、σθ、τrθ分別代表巷道圍巖任意一點的徑向應力、環(huán)向應力、剪應力，MPa；m=r02/r12，r0、r1、θ分別代表圓形硐室半徑和圍巖塑性區(qū)中任意一點的極坐標。

當采用Mohr-Coulomb 準則計算圍巖的松動范圍時，取Mohr-Coulomb 塑性條件[16]：

式中：Cm為圍巖體的黏聚力；φm為圍巖體的內摩擦角。將公式（1）代入到公式（2）中整理可得：

當側壓力系數(shù)λ=1 時，即σh=σv時，代入式（3）

由式（4）計算可得出松動圈半徑[16]：

為求解巷道開挖后塑性區(qū)范圍，把矩形巷道假定為圓形巷道進行求解，若矩形巷道長度和寬度分別為2d和2c，則圓形巷道半徑的求解為[16]，r0帶入公式（5），采用此公式來解出矩形巷道兩幫和頂板松動圈半徑。假定矩形巷道兩幫松動圈范圍為Le、頂板的松動圈范圍為Ls。

式中：d、c分別代表矩形巷道的高度和寬度的一半，m。

巷道的寬度和高度分別為4.8 m、3.2 m，取其一半后，即c=2.4 m、d=1.6 m，巷道r0=2.8 m、φm=20°、Cm=0.8 MPa、σv=21.25 MPa 相應的力學參數(shù)代入公式（5）求得r1=4.5 m，將r1代入公式（6）、（7）求得Ls=2.9 m、Le=2.1 m。

基于巷道松動圈理論，計算出巷道頂板松動圈高度為2.9 m，兩幫松動圈范圍為2.1 m。現(xiàn)場基于組合梁理論及懸吊理論得出巷道頂板及兩幫的錨桿長度為3.3 m，即可穿過巷道松動圈范圍，錨固到巷道堅硬巖層中，來提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬分析

為了驗證巷道支護設計的合理性，建立了考慮采空區(qū)壓實效應數(shù)值試驗方法，從巷道圍巖塑性區(qū)為評價指標來分析圍巖穩(wěn)定性。為了有效地控制計算速度，確定數(shù)值模擬尺寸為x×y×z=300 m×280 m×100 m，模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構模型，用以模擬上覆巖層重量需在模型中施加垂直荷載21.25 MPa，模型頂部為自由邊界，模型四周施加位移約束。

3.1 采空區(qū)應力恢復特征分析

隨著73上16 工作面不斷向前回采，采空區(qū)后方頂板巖層不斷垮落，冒落巖體逐漸被壓實，其彈性模量及剛度顯著提高。被壓實的采空區(qū)矸石能夠承擔一部分上覆巖層荷載，導致周邊圍巖體內的支承壓力出現(xiàn)一定程度下降。采空區(qū)壓實和未壓實效應應力云圖如圖1 和圖2。

圖1 采空區(qū)壓實效應應力云圖

通過對圖1、圖2 分析可知：采空區(qū)矸石慢慢被壓實后，應力逐漸恢復，采空區(qū)中心區(qū)域垮落矸石應力恢復值達到最大，并逐漸以遞減方式向采空區(qū)邊緣擴散。采空區(qū)四個邊角及煤壁區(qū)域應力值達到最小，產生這種現(xiàn)象的主要原因為該區(qū)域頂板巖層垮落不充分，存在一定間隙，因此造成應力恢復值達到最小。由采空區(qū)壓實與未壓實應力云圖對比分析可知：采空區(qū)壓實后應力集中最大值達到15.473 MPa，未壓實后應力最大值達到16.473 MPa，兩者相差1 MPa。這進一步說明采空區(qū)矸石被壓實后承擔一部分上覆巖層荷載，導致周邊圍巖體內的支承壓力出現(xiàn)一定程度下降。

3.2 考慮采空區(qū)壓實效應矩形巷道圍巖塑性區(qū)破壞特征

工作面的回采過程及采空區(qū)頂板巖層垮落壓實對巷道圍巖穩(wěn)定性也會產生一定影響。為得出73上16 工作面回采對巷道圍巖的影響，建立FLAC3D數(shù)值計算模型，模擬工作面回采過程中巷道圍巖塑性區(qū)破壞特征。在模擬過程中，巷道圍巖塑性區(qū)破壞是按計算步數(shù)進行確定，來展現(xiàn)巷道圍巖塑性區(qū)破壞全過程，如圖3。

圖3 巷道圍巖塑性區(qū)破壞過程示意圖

分析圖3 可知，巷道圍巖變形是逐步發(fā)展的一個過程，如圖3（a）所示。部分巷道頂板堅硬巖層（細砂巖）最先破壞，當塑性區(qū)破壞到一定程度后，由于砂質泥巖強度低，結構松散，受采動影響，砂質泥巖受剪切或擠壓作用，再進行破壞，并逐漸向兩側延伸，如圖3（b）所示。砂質泥巖破壞區(qū)域完成后，巷道頂板堅硬巖層（細砂巖）未發(fā)生塑性破壞區(qū)域繼續(xù)進行破壞，并與砂質泥巖層塑性破壞區(qū)域相互貫通連接，如圖3（c）所示。

巷道圍巖頂板破壞是逐步發(fā)展的過程，未發(fā)生完全破壞的細砂巖層不能阻斷砂質泥巖的破壞。

3.3 巷道支護設計合理性的驗證

為驗證現(xiàn)場采用組合梁理論及懸吊理論分別計算出巷道頂板及兩幫錨桿、錨索的長度、間排距、材質及直徑的合理性，將巷道錨桿、錨索支護參數(shù)代入FLAC3D數(shù)值模型中進行計算，從而得出巷道垂直位移云圖及圍巖塑性區(qū)破壞圖，如圖4 和圖5。

圖4 巷道垂直位移云圖

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)破壞圖

分析圖4、圖5 可知，采用上述巷道支護設計后，巷道頂板位移量達到17.05 mm，底鼓量為47.992 mm。巷道頂板塑性區(qū)破壞面積減小，且錨索有效地穿過砂質泥巖，錨固到中細砂巖中。由于砂質泥巖硬度小，結構松散，錨索未穿過的區(qū)域，還存在一定塑性破壞區(qū)。

4 工程實踐

現(xiàn)場按照巷道支護設計參數(shù)進行支護后，為驗證支護設計的合理性，對巷道表面位移量進行實時監(jiān)測，觀測周期為80 d，所得出數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到運輸巷表面位移曲線圖如圖6。

圖6 運輸巷表面位移曲線圖

分析圖6 可知，巷道圍巖變形共分為3 個階段，分別為急速變形、緩慢變形及趨于穩(wěn)定，所對應時間分別為0～35 d、35～60 d、60～80 d，巷道頂、底、左右兩幫最大位移量分別達到69 mm、58 mm、74 mm、78 mm。

5 結論

1）基于巷道松動圈理論，計算出巷道頂板松動圈高度為2.9 m，兩幫松動圈范圍為2.1 m。現(xiàn)場得出巷道頂板及兩幫的錨桿長度為3.3 m，即可穿過巷道松動圈范圍，錨固到巷道堅硬巖層中。

2）通過建立考慮采空區(qū)壓實效應數(shù)值試驗方法，得出了巷道圍巖塑性區(qū)破壞過程，并根據(jù)其破壞特點驗證了現(xiàn)場支護參數(shù)的合理性，有效地減少了巷道圍巖塑性破壞面積。

3）巷道圍巖變形量在≥60 d 后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道頂、底、左右兩幫最大位移量分別達到69 mm、58 mm、74 mm、78 mm，滿足巷道服務要求。