大斷面巷道圍巖破壞原因分析

張家榮，朱殿瑞

(1．潞安集團(tuán)蒲縣常興煤業(yè)有限公司，山西 長治 041200;2．太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司 軋鋼設(shè)備分公司，山西 太原 030024;3．太原理工大學(xué)煤機(jī)樓0210實驗室，山西 太原 030024)

煤礦的規(guī)模及開采強(qiáng)度與現(xiàn)代化礦井的綜合機(jī)械化開采技術(shù)與時俱進(jìn)，因井下設(shè)備的裝機(jī)功率增大，使得設(shè)備的體積也不斷增大，這樣設(shè)備運(yùn)輸及安裝所需空間也需增大，最終導(dǎo)致巷道斷面也隨著增大，斷面增大給維護(hù)帶來諸多挑戰(zhàn)和難度［1］，因此，有必要對此進(jìn)行研究［2］。

1 大斷面巷道基本形式

高煤幫、大跨度、交岔點(diǎn)、硐室、開切眼等是大斷面巷道目前的基本形式。大斷面巷道也是相對的，依據(jù)采煤方法，巷道斷面各自的順槽的情況見表1。

表1 礦井巷道斷面各自順槽對應(yīng)尺寸

2 大斷面巷道破壞理論

2．1 巷道圍巖破壞機(jī)理

礦井巷道開挖之前，巖層在三維空間均受應(yīng)力，處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。在開挖后，巖層的原先平衡遭到破壞，引起應(yīng)力的重新分布，應(yīng)力由原先的三維受力狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)化為二維受力，其中垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)向兩幫的煤體，水平應(yīng)力轉(zhuǎn)向頂板的巖層。頂板巖層此時受到較大水平應(yīng)力導(dǎo)致強(qiáng)度較弱的巖石應(yīng)力達(dá)到極限，產(chǎn)生剪切位移或裂隙，致使斷裂的巖石坍塌，即產(chǎn)生“冒頂”。這種情況在裂隙、斷層等脆弱結(jié)構(gòu)面更為突出。

為了保證地下巷道及周圍巖層的穩(wěn)定，需要及時進(jìn)行支護(hù)，阻止其破壞的程度繼續(xù)發(fā)展。

2．2 巷道圍巖破壞影響因素

1)巷道斷面尺寸。

利用兩邊固定鉸支、受均布載荷q無限延長的薄板將巷道頂板進(jìn)行簡化，并進(jìn)行分析［3］，見圖1。

圖1 頂板簡化模型示意圖

用級數(shù)的形式表示撓度曲線如下：

式中：γ—頂板巖層的撓度，m;

e—頂板巖層的寬度，m。

張力M可表示成如下形式：

式中：M—頂板巖層的張力，kN·m－1;

E—頂板巖層的彈性模量，MPa;

d—頂板巖層的厚度，m;

δ—巖層的泊松比值。

經(jīng)過推導(dǎo)可知撓度γmax可表示為如下形式：

由(3)式可知：巷道的最大撓度γmax與其跨度e4成正比，所以可得出如下結(jié)論，增寬巷道，將使得彎曲變形更容易，受彎曲變形的影響，頂板將產(chǎn)生張應(yīng)力，加速其破壞。

2)巷道斷面形狀。

經(jīng)過現(xiàn)場走訪、總結(jié)得出：大斷面巷道的截面方形較多，這種形狀圍巖的應(yīng)力計算較復(fù)雜，根據(jù)理論分析和相關(guān)實驗得知，方形的邊比(高∶寬)及側(cè)壓系數(shù)ω均和矩形斷面巷道圍巖的應(yīng)力有關(guān)［4］。為了說明方形斷面巷道的應(yīng)力分布狀況，現(xiàn)以高寬比為a∶b=1∶3的巷道進(jìn)行講解。見圖2。

圖2 矩形巷道水平及垂直軸剖面上的主應(yīng)力分布圖

圖2 中原巖應(yīng)力分別為η、τ，在二維空間中，圍巖任意一點(diǎn)的兩個主應(yīng)力為σ1、σ2，其中：

式中：η、τ— 原巖應(yīng)力;

F1、F2—應(yīng)力集中系數(shù)(在巷道影響半徑外 F1與F2可認(rèn)為等于1);

σ1、σ2— 主應(yīng)力。

根據(jù)經(jīng)驗，應(yīng)力分布圖形在忽略圍巖重量時將鏡像于坐標(biāo)兩軸，從圖2兩主應(yīng)力的半邊圖中可以得出：

a)較大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩幫，且在周邊處產(chǎn)生峰值，并向深部擴(kuò)展。

b)較大拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂?shù)装逯虚g，且在頂?shù)走吘壧幃a(chǎn)生峰值，并向深部擴(kuò)展逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，巷道的跨度與拉應(yīng)力成正比。

3 大斷面巷道圍巖破壞狀態(tài)

3．1 圍巖破壞狀態(tài)

巷道圍巖破壞的特征按其破壞過程、形態(tài)及其造成的原因可分為以下幾類［5］：巖爆、拉斷、重剪、局部掉石、潮解風(fēng)化等類型。

大斷面的巷道不僅具有跨度和高度相對較大，截面多為方形的特點(diǎn)，甚至有時還受開采振動的影響。因此，圍巖的破壞范圍較大，在上述幾種破壞類型的影響下，將使得巷道斷面出現(xiàn)下列一些破壞狀況。

1)加大巷道圍巖破壞的突發(fā)性。在一些特殊地段，如淋水交叉點(diǎn)、小斷層、頂板裂紋發(fā)育處及地質(zhì)破碎帶，因其跨度與高度大，使得冒頂突發(fā)性變強(qiáng)，冒頂范圍變大。

2)加大巷道圍巖的破壞程度。對于頂板離層采用鉆孔技術(shù)，可以窺視到范圍在4～5 m，局部可接近6m，遠(yuǎn)超出了錨桿錨固范圍，所以必須采用加長強(qiáng)力錨索支護(hù)。

3)加大巷道底谷的損壞。在巷道支護(hù)時，因地下復(fù)雜的地應(yīng)力場構(gòu)造，再加上工人們對底板的維護(hù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對頂板及煤幫的支護(hù)，這些原因致使巷道更容易產(chǎn)生底鼓。

3．2 圍巖穩(wěn)定性破壞原因

造成巷道圍巖的破壞是由諸多因素引起的，有客觀的因素，也存在人為因素，綜合考慮可歸結(jié)為下述幾點(diǎn)：

1)生產(chǎn)技術(shù)和地質(zhì)條件的影響。

a)工作面回采時引起的應(yīng)力變化影響。

外界條件一定時，采空區(qū)邊緣與巷道的距離是影響圍巖穩(wěn)定性的一個重要原因，通常用留設(shè)的護(hù)巷煤柱粗細(xì)來衡量。

b)圍巖地應(yīng)力的影響。

構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力組成圍巖地應(yīng)力，它的存在引起圍巖變形甚至失穩(wěn)破壞。其中，構(gòu)造應(yīng)力較復(fù)雜可忽略，而由自重引起的地應(yīng)力與巖體所處的深度成正比，所以采煤深度可以作為巷道圍巖的穩(wěn)定性的一個判據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗，在自重地應(yīng)力的作用下，采深越大，巷道的支護(hù)越困難。

c)巖體特性的影響。

巖體的特性決定著圍巖的穩(wěn)定性，其力學(xué)性能與巖石的構(gòu)造及組成有很大關(guān)系。我國主要集中開采新生界第三紀(jì)褐煤和中生界上侏羅紀(jì)的褐煤［1］，這兩種煤層容易風(fēng)化，怕水及震動。此外，還有一個重要影響因素就是巷道圍巖巖體的完整程度。

d)斷層構(gòu)造的影響。

巷道在開掘時穿過斷層比較困難，因其壓力大，難以維護(hù)。在經(jīng)過卸壓后，短時期內(nèi)，巷道較穩(wěn)定，但巷道將在支護(hù)體遭破壞后立即變形。在沿斷層掘進(jìn)時，巷道變形較嚴(yán)重。因此，在過斷層構(gòu)造帶時，要加強(qiáng)這一構(gòu)造帶的支護(hù)，而且要依據(jù)不同地質(zhì)條件選取不同的支護(hù)方式。

e)上覆巖層壓力的影響。

在井下進(jìn)行施工時，上覆巖壓力是必須考慮的一個因素，其壓力與礦井開采深度成正比。通常巷道圍巖的靜壓力是均勻分布的，由此可得，支護(hù)強(qiáng)度較薄弱處首先出現(xiàn)巷道的破壞，如噴巖較薄處、矩形巷道的頂?shù)捉翘帯?/p>

2)施工與支護(hù)設(shè)計的影響。

在巷道的支護(hù)中，造成巷道圍巖變形破壞的主觀因素如下：

a)施工質(zhì)量的影響。

(1)施工過程出現(xiàn)的錯誤，在對松軟煤層和易風(fēng)化的巷道進(jìn)行施工時，工作人員習(xí)慣于先對巷道進(jìn)行支護(hù)，然后對巷道表面進(jìn)行噴漿。這樣容易使巷道表面發(fā)生風(fēng)化，從而造成起皮剝落;同時還會使巷道外層的圍巖破碎剝落，從而形成局部冒頂。這種破壞由外向里層層深入，造成了錨桿與巖體的共同移動，最終會使其失去錨固作用。

(2)掘進(jìn)過程中的錯誤操作，比如當(dāng)巷道成型不好或者凸凹不平時，為了縮短施工所需要的周期，不按規(guī)范要求操作，從而使其實際支護(hù)力遠(yuǎn)不及設(shè)計值，這樣便使得巷道凸凹處首先破壞。

(3)不按標(biāo)準(zhǔn)施工，偷工減料，主要表現(xiàn)如下：

以次充好，比如為加快速度，在使用藥卷加工樹脂錨固時，攪拌時間不充足并且攪拌不均勻，使得錨固力達(dá)不到規(guī)定的強(qiáng)度，而導(dǎo)致錨桿和錨索失效，這樣支護(hù)體便達(dá)不到設(shè)計所要求的承載載荷及變形量，導(dǎo)致巷道早早的破壞。

錨桿間距過大，再加上其預(yù)緊力達(dá)不到設(shè)計要求，造成巷道支護(hù)能力不達(dá)標(biāo)。

b)爆破震動的影響。

爆破過程中產(chǎn)生的沖擊波會對支護(hù)體產(chǎn)生震動沖擊，當(dāng)巷道支護(hù)體的承載力處于臨界值時，經(jīng)多次震動沖擊后較為脆弱的支護(hù)體就會迅速破壞。

在客觀因素?zé)o法改變的前提下，可以通過嚴(yán)格施工管理、科學(xué)施工設(shè)計來避免重復(fù)返修，保持巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，從而延長巷道的使用壽命。

c)支護(hù)設(shè)計不合理的影響。

(1)不重視底板支護(hù)，如果底板沒有支護(hù)，則壓力將沿著底板釋放而產(chǎn)生底鼓，嚴(yán)重時會使兩邊底角向內(nèi)收斂，從而使其破壞失修。

(2)巷道支護(hù)形式單一，不根據(jù)巷道用途、巷道服務(wù)時間、圍巖地質(zhì)條件來合理選擇支護(hù)形式。

(3)支護(hù)構(gòu)件設(shè)計不合理，比如當(dāng)錨桿螺母與桿體不配套時，會造成托盤沿桿體脫落而使支護(hù)體失效。

4 結(jié)語

通過對大斷面巷道圍巖進(jìn)行分析，得出大斷面巷道圍巖破壞的機(jī)理及影響圍巖穩(wěn)定性的原因，對以后的巷道維護(hù)有一定的積極作用。

［1］ 張占濤，鞠文君．大斷面煤層巷道圍巖變形特征與支護(hù)參數(shù)研究［D］．北京：煤炭科學(xué)研究總院，2009．

［2］ 朱殿瑞，廉自生，賀志凱．掩護(hù)式液壓支架姿態(tài)分析［J］．礦山機(jī)械，2012，40(3)：16－19．

［3］ 康紅普，王金華．煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社．2007：11．

［4］ 譚學(xué)術(shù)．復(fù)合巖體力學(xué)理論及其應(yīng)用［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社．1994：6．

［5］ 張向農(nóng)．劉橋一礦煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究［D］．安徽：安徽理工大學(xué)，2006。