淺埋煤層工作面順槽圍巖支護(hù)技術(shù)的研究

張家榮

（潞安集團(tuán)蒲縣常興煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041207）

引言

煤炭工作面順槽大部分在煤層中，順槽的兩幫和頂板一方面由于受采動影響較大，另一方面由于受圍巖強度較低等因素的影響，造成順槽圍巖變形大，支護(hù)困難等問題比較突出，經(jīng)常發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?，?yán)重影響了礦井的高效安全生產(chǎn)。因此通過對淺埋煤層順槽圍巖變形破壞形式進(jìn)行分析，并對其支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，為減小順槽圍巖變形破壞提供依據(jù)。

1 淺埋煤層順槽圍巖變形破壞形式的分析

1.1 拉裂破壞分析

順槽頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力通常是由于上層覆巖層和水平地應(yīng)力聯(lián)合作用下形成的，當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出頂板巖層的極限強度后，就會使得頂板出現(xiàn)拉裂破壞。如果頂板為單一層狀，將出現(xiàn)完整的冒落拱，對于復(fù)合層狀的頂板，將形成平衡拱。

順槽開挖以后，受兩幫煤層壓力以及水平構(gòu)造應(yīng)力作用出現(xiàn)變形，表面圍巖產(chǎn)生拉力破壞。由于受媒體變形破壞的影響，順槽的原有跨度受到改變，造成了底板向上拱起，發(fā)生彎曲變形，最終導(dǎo)致頂板下沉和底臌等變形破壞現(xiàn)象[1]。

1.2 剪切破壞分析

由于順槽開挖后受力較為復(fù)雜，不僅受法向壓應(yīng)力，還受到切向壓應(yīng)力。在切向壓應(yīng)力作用下，頂板沿著裂隙、節(jié)理面發(fā)生剪切滑移，超出一定范圍后將發(fā)生剪切破壞，最終發(fā)生冒落現(xiàn)象。順槽幫部在剪切應(yīng)力作用下，出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。當(dāng)幫部巖體向順槽內(nèi)部發(fā)生擠壓后，使得順槽發(fā)生變形，嚴(yán)重時將影響順槽的交通運輸和通風(fēng)功能。

1.3 局部落實破壞分析

局部落實也是一種常見的順槽破壞形式，主要是由于地質(zhì)因素以及現(xiàn)場施工因素引起的。地質(zhì)因素主要有節(jié)理裂隙、受水浸泡分解等原因；現(xiàn)場施工主要受掘進(jìn)機(jī)、爆破等生產(chǎn)擾動造成的落實和滑移等。因此在生產(chǎn)中應(yīng)該盡量減小對順槽圍巖的擾動，并用錨桿和網(wǎng)片進(jìn)行保護(hù)。

1.4 復(fù)合破壞分析

由于實際工程中順槽多為矩形形狀，加上周圍地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，受工程擾動、地下水以及支護(hù)的影響較大，因此順槽的實際破壞形式往往是多種破壞形式綜合作用的結(jié)果。復(fù)雜的破壞形式使得順槽支護(hù)難度增大[2]。

2 順槽錨桿支護(hù)理論

2.1 懸吊理論

順槽開挖過程中巖層應(yīng)力發(fā)生變化，在局部巖層會產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超出一定范圍后會使得巖層內(nèi)部的裂隙發(fā)生擴(kuò)展，最終導(dǎo)致破碎區(qū)的形成。通過錨桿的作用將頂板的軟巖層固定到上層穩(wěn)定巖層，阻止軟巖層的下沉和離層，從而保證頂板的穩(wěn)定。該支護(hù)理論認(rèn)為軟巖層的重力將全部作用于錨桿上，對錨桿產(chǎn)生向下拉力。對于不穩(wěn)定巖層能夠確定時可以采用上述理論進(jìn)行錨桿設(shè)計。

2.2 松動圈支護(hù)理論

順槽開挖后由于應(yīng)力作用產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的破裂區(qū)域，通常將此區(qū)域稱為松動圈。松動圈按照圍巖厚度大小分為小松動圈圍巖、中松動圈圍巖和大松動圈圍巖[3]。小松動圍巖圈厚度在0～40 cm，厚度值較小，圍巖重量很小，通常應(yīng)用噴射混凝土支護(hù)來保證安全；中松動圍巖圈厚度值在40～150 cm范圍內(nèi)，通常采用錨桿架噴層的支護(hù)方式，錨桿主要用于控制圍巖變形，噴層用于防止圍巖分化和輔助支護(hù)作用；大松動圍巖圈厚度值大于150 cm，此時圍巖變形較大，需要通過聯(lián)合支護(hù)，即錨噴網(wǎng)支護(hù)形式保證支護(hù)可靠性。

3 頂板支護(hù)參數(shù)的確定

本文通過懸吊理論和松動圈理論對錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計算。膠運順槽計算中取錨桿外漏部分長度l1為0.1 m；根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果可知錨桿的有效長度l2為1.4 m；錨桿錨固長度l3取值為0.7 m；可計算出錨桿總長為：

將數(shù)據(jù)代入公式得：l=2.2 m。

錨桿直徑為：

式中：Q為錨桿錨固力，取80 kN；q為錨桿屈服強度，取 335 N/mm2。

將數(shù)值代入公式得：d=17.5 mm，取18 mm。

錨桿間排距為1 200 mm時，可通過下式計算出不穩(wěn)定巖層的重量G：

式中：k為安全系數(shù)，取1.8；l2為錨桿的有效長度，1.4 mm；a1、a2錨桿間排距，取 a1×a2=1 200 mm×1 200 mm；γ為不穩(wěn)定巖層的平均重力密度，20.0 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入公式得：G=72.58 kN。

在保證錨桿桿體承載力大于固定煤體載荷的情況下，選取Φ20的螺紋鋼錨桿，通過上述計算結(jié)果表明，選取錨桿滿足安全要求。

通過對松動圈窺視結(jié)果計算得幫部錨桿長度為：

式中：l1′為根據(jù)錨桿托盤厚度決定的錨桿外漏部分長度，取0.1 m；l2′為錨桿的有效長度，大于等于被懸吊巖層厚度，取0.9 m；l3′為錨桿錨固長度，通常取值為 0.5～1 m。

將數(shù)據(jù)代入公式得：l′=1.5 m。

通過類似的計算方法對輔運順槽進(jìn)行計算。其中膠運順槽頂板、煤柱幫及開采幫分別采用Φ18 mm×2.2 m、Φ16 mm×1.5 m、Φ18 mm×1.5 m螺紋鋼錨桿，間排距分別為1.2 m×1.2 m、1.5 m×1.2 m、1.0 m×1.2 m；輔運順槽支護(hù)參數(shù)為：順槽頂板、煤柱幫及開采幫分別采用Φ18 mm×2.3 m、Φ16 mm×1.6 m、Φ18 mm×1.6 m螺紋鋼錨桿，間排距分別為1.2 m×1.2 m、1.0 m×1.2 m、1.0 m×1.2 m；均選用配套的拱形托盤。

4 支護(hù)效果數(shù)值模擬

本文通過采用數(shù)值計算軟件FLAC3D，在綜合考慮模型邊界效應(yīng)的影響，應(yīng)用“混合離散法”對上述頂板順槽的支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)置采高為4.5m，埋深為100m；模型大小規(guī)格為383m×100m×100 m，計算過程中對模型除頂面外其余各面施加約束，位移值為零。模擬時對模型進(jìn)行了簡化，對相鄰近似地層進(jìn)行合理合并，采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，錨索結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿索的支護(hù)，具體計算模型如圖1所示，支護(hù)模型如圖2所示[4]。

圖1 FLAC3D計算模型圖

圖2 支護(hù)模型圖

4.1 計算參數(shù)

通過對該礦煤巖力學(xué)試驗以及相關(guān)的地質(zhì)測量資料可得到具體物理參數(shù)如表1所示：

表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)表

4.2 計算測點布置

為了更加準(zhǔn)確的分析順槽開挖后圍巖的變形情況，分別在順槽頂板和兩幫布置相應(yīng)的檢測點，通過觀測變形來評價順槽支護(hù)的效果以及圍巖的穩(wěn)定性情況。具體的監(jiān)測點布置如圖3、圖4所示。

4.3 模擬結(jié)果分析

圖3 監(jiān)測點橫斷面布置圖

圖4 監(jiān)測點縱斷面布置圖

圖5 掘進(jìn)期間順槽表面位移

下頁圖5所示為掘進(jìn)期間順槽的表明位移曲線，從圖中可以看出，順槽開挖后，隨著距掌子距離的不斷增加，頂板下沉量和兩幫收斂量均出現(xiàn)增加趨勢，在距離小于30 m時，增加量較為明顯，出現(xiàn)線性增加趨勢；在距離大于30 m后增加趨勢變緩，隨著距離的增加下沉量和兩幫收斂量逐漸趨于平穩(wěn)。膠運頂板和輔運頂板的最大下沉量分別為13.3 mm和12.4 mm；最大收斂值分別9.7 mm和8.3 mm[5]。

圖6所示為回采期間順槽的表明位移情況，從圖可以看出在離工作面的距離大于40 m時，頂板下沉量和兩幫收斂量變化不大，但是當(dāng)距離小于40 m后，頂板下沉量和兩幫收斂量均出現(xiàn)明顯增加，呈線性增加趨勢。當(dāng)距離為零時，膠運頂板和輔運頂板的最大下沉量分別為19.6 mm和17.8 mm；最大收斂值分別13.5 mm和11.3 mm。整體變化情況看，膠運順槽比輔運順槽的變形量要大。

圖6 回采期間順槽表面位移

圖7、圖8所示為輔運順槽和膠運順槽的塑性區(qū)分布圖，從圖中可以看出，兩種順槽四周均產(chǎn)生了塑性區(qū)，其中輔運順槽頂?shù)装搴蛶筒康淖畲笏苄詤^(qū)約為1.4 m和2.0 m；膠運順槽板和幫部的最大塑性區(qū)均約為2.0 m；通過上述對順槽變形和塑性區(qū)分布進(jìn)行分析，可知該工況下順槽開挖和回采變形量較小，穩(wěn)定好[6]。

圖7 輔運順槽塑性區(qū)分布圖

圖8 膠運順槽塑性區(qū)分布圖

5 結(jié)論

應(yīng)用數(shù)值計算軟件FLAC3D對其進(jìn)行了模擬計算，得出以下結(jié)論：

1）掘進(jìn)期間，順槽開挖后，在一定范圍內(nèi)，隨著距掌子距離的不斷增加，頂板下沉量和兩幫收斂量均出現(xiàn)增加趨勢，在30 m左右距離處下沉量和兩幫收斂量逐漸趨于平穩(wěn)。

2）回采期間，當(dāng)距工作面距離小于40 m后，頂板下沉量和兩幫收斂量均出現(xiàn)明顯增加，呈線性增加趨勢，從整體變化情況看，膠運順槽比輔運順槽的變形量要大。

綜合分析順槽變形和塑性區(qū)分布情況，可知該工況下順槽開挖和回采變形量較小，穩(wěn)定好，能夠滿足正常安全生產(chǎn)需要。