普冬冬

(1.河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤炭工業(yè)(集團)有限責任公司，河南 鄭州 450000)

鄭煤集團告成煤礦地處“嵩-箕”滑動地質構造帶腹地，煤層和直接頂板原生結構已被完全破壞，層理不清晰，滑面和摩擦鏡面發(fā)育。在這種應力環(huán)境中，煤層及直接頂、底板對應力擾動極為敏感，在構造應力和采掘應力的雙重作用下，巷道周邊的煤、巖體具有明顯的蠕變流動特征，主要表現(xiàn)為應力擾動過程中巷道全斷面急劇收縮，其中巷道兩幫內移和底鼓尤為嚴重，導致巷道圍巖控制十分困難。本研究以告成煤礦23041下順槽為例，使用FLAC 3D軟件[1]對圍巖松動圈發(fā)育范圍及影響因素進行數(shù)值模擬并分析，以期為后期巷道支護參數(shù)的優(yōu)化提供技術支持。

23041工作面是告成煤礦23采區(qū)的首采工作面，地表標高為+283.5～+298.4 m，井下標高為-256.8～-382.6 m；工作面煤層厚度為4.91～6.23 m，平均厚度為5.89 m；煤層傾角為3°～17°，平均傾角為13°；煤層直接頂為砂質泥巖，厚度為14.1～25.8 m，平均厚度為18.52 m；老頂為泥巖，厚度為0～2.46 m，平均厚度為1.5 m；煤層直接底為砂巖，厚度為6.29～15.60 m，平均厚度為10.6 m；老底為L8灰?guī)r，厚度為0.24～3.40 m，平均厚度為2.11 m。

1 滑動構造區(qū)煤巷圍巖松動圈發(fā)育范圍

巷道掘進打破了原巖應力平衡，巷道圍巖受力狀態(tài)由“三向應力”狀態(tài)轉變?yōu)椤皟上驊Α睜顟B(tài)，導致圍巖應力重新分布和局部應力集中，在巷道圍巖強度大幅下降的同時，巷道圍巖中出現(xiàn)了一個松弛破碎帶，即松動圈。理論上，對于絕大多數(shù)大變形巷道而言，巷道圍巖松動圈范圍比較大，且通常情況下認為巷道圍巖松動圈的巖體不具備自承載能力，故松動圈范圍往往直接決定著巷道支護的難度。

一般情況下，對于中等硬度的煤、巖巷道而言，掘進引起的應力重新分布過程中，由剪切和拉伸破壞產生的松動圈極為明顯，這種存在明顯斷裂特征的松動圈通過地質雷達能夠準確探測到。但對于告成煤礦二1煤層而言，由于巷道煤體原生結構在歷次滑動地質構造運動過程中早已被完全破壞，煤層結構疏松且呈粉末狀，煤體變形過程中具有較高的流動性，難以像其他中硬煤巖那樣出現(xiàn)明顯的斷裂破壞。因此，地質雷達探測技術在告成煤礦二1煤層這樣的粉末狀構造煤層中探測效果并不好。

對于類似23041工作面下順槽這種變形大的煤巷，可以采用鉆孔窺視的方法輔助探測巷道圍巖的松動范圍。由于二1煤層具有極強的蠕變流動特性，盡管厚煤區(qū)巷道變形量較大，但從不同深度的鉆孔窺視截面可見，0～7 m鉆孔孔壁結構都比較完整，并不存在像巖石鉆孔孔壁一樣明顯的破裂、離層現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 煤巷鉆孔窺視截面Fig.1 Cross-section image of coal roadway drilling hole

告成煤礦二1煤層屬于“三軟”煤層，具有極強的流動性和可再生性，并且再生煤體仍然具備一定的承載能力，故傳統(tǒng)概念中松動圈范圍(破碎區(qū)、破裂區(qū))和松動圈巖體的承載性能定義(喪失承載能力)并不適用于二1煤層巷道。也有部分學者將松動圈等價為巷道周邊塑性區(qū)，但實際上巷道塑性區(qū)不僅范圍較大，而且大部分處于塑性狀態(tài)的圍巖仍然具有一定的自承載能力，將其與松動圈等價并不科學[2-4]。

為確定23041工作面下順槽松動圈發(fā)育范圍，根據(jù)23041工作面下順槽地質采礦條件，建立FLAC 3D數(shù)值計算模型，其巖層力學參數(shù)見表1。在該模型中，煤層厚度選擇6.0 m，巷道位置原巖鉛錘應力取16.90 MPa，側壓系數(shù)取1.5，直墻半圓拱形巷道凈斷面為5.0 m×3.5 m，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm，錨桿錨固長度為1.0 m，間排距為800 mm×800 mm，護表構件為8#鐵絲網。

表1 數(shù)值模型巖層力學參數(shù)Tab.1 Rock mechanics parameters of numerical model

23041工作面下順槽掘出后，在高地應力作用下巷道圍巖中形成了不規(guī)則的塑性區(qū)，其中底板塑性區(qū)最大深度達7.5 m，頂板塑性區(qū)略小于底板，達到 7.1 m，兩幫塑性區(qū)為4.9 m，如圖2所示。結合巷道圍巖位移分布云圖(見圖3)，錨網支護巷道變形以頂板下沉和底鼓為主，巷道頂板最大下沉量約310 mm，最大底鼓量約275 mm，巷道頂、底板收縮量接近600 mm，兩幫移近量接近450 mm。但從巷道圍巖整體位移分布情況來看，巷道深部圍巖位移量并不大，巷道圍巖變形主要以淺部0～3 m煤體的剪脹變形為主。顯然，巷道周邊大部分處于塑性狀態(tài)的煤體變形量并不大，也證實了將塑性區(qū)等同于松動圈并不合適。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍Fig.2 Development range of plastic zone of surrounding rock of roadway

圖3 巷道圍巖位移分布Fig.3 Nephogram of displacement distribution of surrounding rock in roadway

煤、巖的抗拉強度遠遠低于抗壓強度，一旦出現(xiàn)拉伸破壞往往對應產生破裂和斷裂。因此，與處于剪切屈服狀態(tài)的圍巖相比，當前和曾經產生拉伸破壞的圍巖損傷程度更高，而且松散破裂的煤巖體承載能力極低，可以把這部分圍巖體視為松動圈。結合巷道圍巖塑性區(qū)分布圖(圖4)可知，巷道底板處于拉伸破壞狀態(tài)的單元數(shù)量最多，松動圈最大深度達到1.75 m；巷道兩幫松動圈深度相對較小，最大深度約1.53 m；相對于底板和兩幫，巷道拱部松動圈分布連續(xù)性較差，最大深度約 2.48 m。

同時，由圖4可知，松動圈在巷道圍巖中并不是連續(xù)存在的，缺少支護的底板是巷道圍巖松動圈發(fā)育最連續(xù)、均勻的部位，其次是巷道起拱線和肩窩部位。巷道掘進期間，頂板松動圈最大范圍甚至波及直接頂界面。

圖4 巷道圍巖松動圈分布Fig.4 Distribution map of surrounding rock loose zone of roadway

2 滑動構造區(qū)煤巷圍巖松動圈發(fā)育范圍影響因素

2.1 水平應力

告成煤礦地處“嵩-箕”滑動地質構造帶腹地，井田范圍內最大主應力以水平應力為主。圖5顯示了側壓系數(shù)分別為0.5、1.0、1.5和2.0時的巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍。模型中，巷道采用錨網支護，錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm，錨桿錨固長度為1.0 m，間排距為800 mm×800 mm，護表構件為8#鐵絲網。

圖5 不同側壓系數(shù)下巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍Fig.5 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different lateral pressure coefficient

由圖5可知，在相同的支護參數(shù)下，隨著側壓系數(shù)的增大，水平應力增大，巷道圍巖塑性區(qū)也在不斷擴大。在相同的支護方式下，巷道所處的應力水平對松動圈最大發(fā)育深度影響不大，但會使松動圈內出現(xiàn)拉伸破壞的圍巖單元密度增加。

2.2 支護方式

圖6顯示了錨網支護和U型鋼支護下巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍。由圖6可知，在側壓系數(shù)λ=1.5時，U型鋼支護巷道塑性區(qū)范圍遠大于錨網支護巷道，且U型鋼支護巷道圍巖出現(xiàn)拉伸破壞的深度和單元數(shù)量都遠遠大于錨網支護巷道，表明巷道支護方式對巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍影響很大。

圖6 不同支護方式下巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍Fig.6 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different supporting methods

當巷道采用被動支護時，由于U型鋼支架初期不承載，放任巷道淺部圍巖離層、破裂，導致巷道頂板圍巖松動圈范圍越來越大。與此同時，隨著巷道底板的不斷鼓起，底板松動圈范圍不僅深度增大，而且向巷道兩側不斷擴展，最大深度甚至超過巷道跨度。從巷道兩幫的松動圈發(fā)育深度看，雖然與錨網支護巷道相比，U型鋼支護巷道兩幫松動圈深度有所增大，但出現(xiàn)拉伸破壞單元的密度確實較低。

2.3 錨網護表構件強度

針對高應力作用下二1煤層蠕變特性顯著的特點，在錨網支護系統(tǒng)中護表構件的強度和剛度起著至關重要的作用。圖7顯示了采用鐵絲網和鋼筋網護表構件時巷道圍巖松動圈的發(fā)育范圍。由圖7可見，當錨網支護巷道采用護表強度更高的鋼筋網時，盡管錨桿支護技術參數(shù)一致，但巷道頂、幫圍巖松動圈范圍急劇縮小，其中巷道頂板松動圈范圍縮小最為明顯。

圖7 不同護表構件下巷道圍巖松動圈發(fā)育范圍Fig.7 Development range of surrounding rock loose zone of roadway under different surface protection components

對于一般的錨網支護巷道而言，為便于施工，金屬網護表構件普遍選用菱形鐵絲網，但菱形鐵絲網柔性較大，施工過程中難以緊貼巖面，對巷道錨桿間的圍巖變形控制較差。因此，在選用菱形鐵絲網作為護表構件的煤礦巷道中，大體積網兜極為常見，個別網兜中的碎脹煤巖甚至達數(shù)噸。這些網兜若不及時處理，隨著菱形鐵絲網護表構件的破壞，錨網支護巷道存在隨時冒頂?shù)奈ｋU。

不同護表構件條件下巷道圍巖位移分布云圖如圖8所示。對比采用菱形鐵絲網和鋼筋網的巷道圍巖變形量可見，在錨桿參數(shù)一致的情況下，采用菱形鐵絲網支護的巷道最大變形量達到443.2 mm，而采用鋼筋網支護的巷道最大變形量為200.2 mm，變形量減少約54.8%。由此可見，提高護表構件強度，對于蠕變特性極強的二1煤層巷道具有十分重要的意義。

圖8 不同護表構件條件下巷道圍巖位移分布云圖Fig.8 Nephogram of displacement distribution of surrounding rock of roadway under different surface protection conditions

3 結論

(1)對于告成煤礦二1煤層而言，將松動圈等價為巷道周邊塑性區(qū)并不科學，而將處于拉伸破壞狀態(tài)的圍巖體視為松動圈更為合理。

(2)數(shù)值模擬結果表明：23041工作面下順槽圍巖松動圈內，頂板、兩幫及底板的最大深度分別為2.48 m、1.53 m和1.75 m。

(3)在支護參數(shù)不變的條件下，水平應力對巷道圍巖松動圈發(fā)育深度影響較小，但水平應力的增大會使松動圈內出現(xiàn)拉伸破壞的圍巖單元密度增加。

(4)巷道支護方式和護表構件的強度對圍巖松動圈發(fā)育深度影響巨大，提高錨網主動支護護表構件的強度和剛度是控制巷道變形的關鍵。