黃慶享，石中情

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

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三軟煤層巷道圍巖自穩(wěn)平衡圈分析*

黃慶享，石中情

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

為了揭示三軟煤層巷道底板和兩幫破壞對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響，分別建立了考慮兩幫和底板影響的巷道頂板自穩(wěn)平衡拱計(jì)算模型，給出了自穩(wěn)平衡拱的解析表達(dá)式，分析了巷道底板、兩幫、頂板三者的相互影響關(guān)系。研究得出，頂板平衡拱的高度與巷道等效寬度成正比，與巷道兩幫和頂板內(nèi)摩擦系數(shù)成反比。兩幫破壞時(shí)，巷道等效寬度增大，頂板平衡拱高度增量與巷幫破壞深度成正比。底板破壞時(shí)，巷道等效高度增大，導(dǎo)致頂板平衡拱高度增加，頂板平衡拱高度增量與巷道底板破壞深度成正比。提出了三軟煤層巷道的支護(hù)原則，指出加強(qiáng)三軟煤層巷道兩幫和底板對(duì)提高巷道頂板穩(wěn)定性具有重要作用。

三軟煤層；底板-兩幫-頂板關(guān)系；巷道等效寬度；頂板平衡拱高度；巷道平衡圈

0　引　言

煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，重視頂板支護(hù)，輕視兩幫支護(hù)，忽視底板支護(hù)，是常見現(xiàn)象。究其根本原因是不清楚底板—兩幫—頂板的相互作用關(guān)系，在三軟煤層中尤其如此。國內(nèi)外對(duì)軟巖巷道支護(hù)理論有較多的研究，考慮底板對(duì)兩幫及頂板影響的研究很少。實(shí)踐表明，松軟底板的變形對(duì)兩幫變形有直接影響，而進(jìn)一步間接影響頂板的穩(wěn)定性。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頂板—兩幫—底板相互影響具有代表性的研究，主要有“普氏理論”[1]，巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論[2]，巷道圍巖的關(guān)鍵圈理論[3]，極限自穩(wěn)平衡拱理論[4]，而更多的是對(duì)巷道頂板穩(wěn)定性的研究[5-9]。目前，對(duì)底板和兩幫支護(hù)的研究發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)底板和兩幫支護(hù)對(duì)巷道整體穩(wěn)定性具有重要作用[10-12]，但對(duì)“底板—兩幫—頂板”的相互影響機(jī)理的專門研究不多。

本論文針對(duì)三軟煤層巷道，考慮“底板—兩幫—頂板”相互影響，探索巷道圍巖平衡圈支護(hù)理論，為三軟煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1　三軟煤層巷道的平衡圈分析

根據(jù)河南告成煤礦三軟煤層巷道圍巖地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測，巷道圍巖松動(dòng)圈形狀如圖1所示。

圖1　實(shí)測巷道圍巖松動(dòng)圈Fig.1　Measured roadway failure circle (a)巷道未擴(kuò)修36U+錨索支護(hù)　(b)巷道一次擴(kuò)修U36+錨索支護(hù)

一般而言，圍巖自穩(wěn)平衡圈指處于極限自穩(wěn)狀態(tài)的巷道圍巖環(huán)狀邊界。對(duì)巷道頂板而言，近似于拉應(yīng)力邊界；對(duì)于兩幫和底板而言近似于塑性區(qū)和拉破壞區(qū)邊界。一般而言，巷道圍巖松動(dòng)圈大致可反映巷道圍巖自穩(wěn)平衡圈的形狀。

1.1巷道頂板自然平衡拱

對(duì)于只考慮軟頂板影響的三軟煤層的軟頂板平衡拱，可借鑒俄國M.M.Продъяконов提出的“普氏拱理論”進(jìn)行確定。為計(jì)算巷道頂部平衡拱高度，先要確定自然平衡拱方程，確定拱頂?shù)捷S線的距離。為了方便計(jì)算設(shè)巷道為矩形巷道，假設(shè)頂板自然平衡拱軸線是一條二次曲線，取拱左側(cè)部分為研究對(duì)象，如圖1所示。

圖2　自然平衡拱計(jì)算簡圖Fig.2　Natural equilibrium arch caculation diagram

首先在拱軸線上任取一點(diǎn)M(x,y)，由于自然平衡拱任意橫截面上只有軸向力而無剪力和彎矩，因此，將所有外力向點(diǎn)M(x,y)取彎矩。由∑M=0，得

(1)

式中q為拱頂?shù)木己奢d，MPa；T為平衡拱拱頂截面的水平推力，MN.

由靜力平衡方程可知，T=T′，普氏認(rèn)為拱腳的水平推力T′必須滿足下列要求

T′≤qaf,

(2)

式中T′為拱腳的水平推力，N； f為頂板內(nèi)摩擦系數(shù)。

將T=qaf代入式(1)，可得拱軸線方程為

(3)

若巷幫穩(wěn)定，x=a，頂板平衡拱高度為

(4)

式中b為兩幫穩(wěn)定時(shí)的頂板平衡拱高度，m； a為巷道半寬，m； f為頂板內(nèi)摩擦系數(shù)。

1.2考慮兩幫影響的巷道頂板平衡拱高度

當(dāng)巷幫不穩(wěn)定時(shí)，巷幫將出現(xiàn)塑性區(qū)。對(duì)于三軟煤層巷道，根據(jù)普氏理論進(jìn)行簡化估算，軟煤幫的塑性區(qū)最大深度為

(5)

式中r1為巷幫最大塑性區(qū)深度，m； h為巷道高度，m； fb為巷幫內(nèi)摩擦系數(shù)。

巷幫塑性區(qū)的出現(xiàn)等效于巷道寬度增加，將引起頂板平衡拱的擴(kuò)大，如圖3所示。

圖3　幫破壞后的頂板平衡拱Fig.3　Roof equilibrium arch of roadway with rib failure

設(shè)巷幫破壞引起的等效巷道半寬增量為

借鑒斷裂力學(xué)裂紋端部塑性區(qū)修正長度取塑性區(qū)寬度一半的簡化方法[9]，這里取k=0.5，則巷道等效半寬為

(6)

式中a1為考慮巷幫破壞的巷道等效半寬，m.

將x=a1，y=b1，代入式(3)，可得考慮巷幫破壞的頂板平衡拱高度為

(7)

式中b1為考慮巷幫破壞的頂板平衡拱高度，m.

巷幫破壞引起的巷道頂板拱高增量為

(8)

1.3考慮底板和兩幫影響的平衡圈

對(duì)于三軟煤層巷道，底板破壞將使兩幫破壞深度加大，則巷道有效跨度也將增大，進(jìn)而引起頂板平衡拱高度的進(jìn)一步增大，如圖4所示。

圖4　底板和兩幫破壞時(shí)的巷道圍巖平衡圈Fig.4　Rock equilibrium circle of roadway when floor and ribs failure

設(shè)巷幫下方底板破壞等效深度為hd，巷幫等效高度為

h*=h+hd,

(9)

式中h*為考慮底板破壞的巷道等效高度，m；hd為巷道底板破壞等效深度，m.

借鑒公式(5)，設(shè)兩幫和底板內(nèi)摩擦角相等，可得考慮底板破壞影響的巷幫塑性區(qū)深度為

(10)

式中r2為底板破壞的巷幫最大塑性區(qū)深度，m.

同理，此時(shí)巷道等效寬度為

(11)

式中a2為考慮底板破壞的巷道等效半寬，m.

則，考慮底板破壞影響的頂板平衡拱高度為

(12)

式中b2為考慮底板破壞的頂板平衡拱高度，m；

底板破壞引起的頂板平衡拱高度增量為

(13)

2　“底—幫—頂”相互影響分析

2.1巷幫寬度與頂板平衡拱高度的關(guān)系

圖5　巷道等效半寬與頂板平衡拱高度的關(guān)系Fig.5　Equivalent half width vs roof arch height of roadway

2.2巷幫破壞深度與頂板平衡拱高度的關(guān)系

(14)

在巷道支護(hù)實(shí)踐中，加強(qiáng)兩幫支護(hù)，控制兩幫破壞區(qū)的發(fā)育，可降低頂板平衡拱高度，有助于提高頂板穩(wěn)定性，因此，提出巷道支護(hù)的“治頂先治幫”原則。

2.3巷幫底板破壞深度與頂板平衡拱高度的關(guān)系

3　三軟煤層巷道圍巖控制原則

工程實(shí)踐中，大多數(shù)巷道支護(hù)只重視頂板支護(hù)，忽視兩幫及底板控制，造成兩幫和頂板支護(hù)失效。根據(jù)上述分析，加強(qiáng)底板和兩幫的控制，有助于提高頂板的穩(wěn)定性，保障巷道整體穩(wěn)定。

根據(jù)自穩(wěn)平衡圈理論，控制好底板和兩幫，可減小頂板垮不穩(wěn)定區(qū)高度，降低頂板支護(hù)難度。三軟煤層巷道支護(hù)應(yīng)當(dāng)將“頂板—兩幫—底板”作為相互影響的整體進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，按照“治頂先治幫，治幫先治底”的原則進(jìn)行巷道圍巖控制和維護(hù)。此外，現(xiàn)場支護(hù)往往忽視“幫—底”和“頂—幫”結(jié)合部(圖6中陰影區(qū))的支護(hù)，而這些區(qū)域是巷道形成“底板—兩幫—頂板”整環(huán)控制的關(guān)鍵。

對(duì)于頂板小平衡拱高度小于錨桿長度時(shí)，可采用單一錨桿支護(hù)，錨桿長度超出平衡拱高度為宜。對(duì)于大自穩(wěn)平衡拱，應(yīng)配合錨索支護(hù)，錨索長度應(yīng)當(dāng)大于平衡拱高度，錨索間的小拱采用錨桿加固，錨索錨桿支護(hù)按照組合拱設(shè)計(jì)。

圖6　巷道支護(hù)的自穩(wěn)平衡圈演化Fig.6　Roadway stable ring evolution

4　結(jié)　論

1)頂板平衡拱發(fā)育高度隨巷道等效寬度的增大而線性增大；

2)巷幫破壞相當(dāng)于增加了巷道等效寬度。加強(qiáng)巷道兩幫支護(hù)，有助于控制頂板平衡拱高度，提高頂板的穩(wěn)定性；

3)巷道底板破壞，等效于增加了巷幫高度，巷道等效寬度增量和頂板平衡拱高度增量與底板破壞深度成正比。巷道底板破壞將引起巷幫破壞加劇，進(jìn)而引起巷道等效寬度增大，頂板平衡拱高度增加，頂板穩(wěn)定性下降；

4)三軟煤層巷道“底板-兩幫-頂板”相互影響，巷道圍巖失穩(wěn)后表現(xiàn)為環(huán)繞巷道的平衡圈，巷道支護(hù)的目的是控制圍巖平衡圈內(nèi)巖體的穩(wěn)定性。三軟煤層巷道支護(hù)應(yīng)當(dāng)重視對(duì)底板和兩幫的控制，遵循“治頂先治幫，治幫先治底”的原則。

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Theory of equilibrium circle of roadway in three soft coal seam

HUANG Qing-xiang，SHI Zhong-qing

(CollegeofEnergyScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

In order to discover the effect of floor and rib failure on the roadway stability in the condition of three soft coal seam，the calculation models of roof equilibrium arch of roadway are established in the case of considering the effect of roof and rib failure，the formulas of roof equilibrium arch are put forward，and the influence of roadway floor on rib and roof are analyzed.It is found that the height of roof equilibrium arch is proportional to the equivalent width of the roadway，and is inversely proportional to the friction coefficient of rib and roof.When the rib is failure，the equivalent width of roadway increases，and the increment of roof equilibrium arch height is proportional to the depth of rib failure zone.When floor is failure，it causes the roadway equivalent height to increase，and result in the height increase of roof equilibrium arch，and the increment of roof equilibrium arch height is proportional to the floor failure depth.At last，the principles of roadway support in three soft coal seam are put forward，and it is pointed out that strengthen ribs and floor has important role in improving the roof stability of three soft roadway.

three soft coal seam；relationship of floor-rib-roof；equivalent width of roadway；height of roof equilibrium arch；equilibrium circle theory of roadway

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0306

1672-9315(2016)03-0331-05

2016-01-21責(zé)任編輯：劉潔

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2011KTCQ01-41)

黃慶享(1966-)，男，新疆沙灣人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：huangqx@xust.sn.cn

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