梁晉源

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)店坪煤礦， 山西 呂梁 033199）

在窄礦柱沿空巷道中，由于多種作用的存在[1]導(dǎo)致巷道圍巖變形破壞，巷道兩側(cè)的變形量大于頂板和底板的變形量。因此，保持巷道窄礦柱壁的穩(wěn)定性是沿空掘進(jìn)巷道變形控制研究的重點(diǎn)[2]。在相關(guān)研究中，關(guān)于頂煤變形與頂煤支護(hù)強(qiáng)度、窄柱寬度、頂煤剛度之間關(guān)系的研究較少，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查表明，對(duì)頂煤變形應(yīng)變條件進(jìn)行分析，對(duì)研究窄礦柱綜放煤巷道的整體穩(wěn)定性具有重要意義。

1 沿空掘進(jìn)巷道頂煤應(yīng)力與變形分析

1.1 頂煤力學(xué)模型

綜放采空區(qū)沿空回采巷道一側(cè)為巷旁綜合煤，另一側(cè)為窄礦柱。工作面上部直接頂冒落后，主頂發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)和下沉。下段在煤體中形成側(cè)向的“楔形塊梁”結(jié)構(gòu)，即“大結(jié)構(gòu)”[3]。沿空掘進(jìn)巷道后，頂煤、底板、兩幫、窄柱和錨桿作為巷道的支護(hù)對(duì)象形成一個(gè)整體，稱為“小結(jié)構(gòu)”[4]。沿空掘進(jìn)巷道支護(hù)的重點(diǎn)是保持小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。沿窄柱采空區(qū)掘進(jìn)巷道與上覆巖層結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 窄煤柱沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，以頂煤水平中心線為軸，以頂煤采空區(qū)側(cè)面終點(diǎn)為原點(diǎn)O，以巷道旁采煤側(cè)向方向?yàn)檎较颍⒆鴺?biāo)。點(diǎn)A、點(diǎn)B分別表示沿空入井的兩堵墻，C點(diǎn)為頂煤深部應(yīng)力集中區(qū)邊界，頂煤巖層用OD表示，D為足夠遠(yuǎn)且不影響計(jì)算的隨機(jī)點(diǎn)，上覆巖層應(yīng)力為q1（x），頂煤下的窄煤柱、采空區(qū)側(cè)面巷道和巷道旁的整體煤柱分別用OA、AB和BD表示，其寬度分別為l、L和a+x0，其對(duì)應(yīng)的受力情況分別由窄柱共同作用的q2（x），支持強(qiáng)度p和有功功率q3（x）表示。

圖2 沿窄壁采空區(qū)巷道頂煤力學(xué)模型

設(shè)綜采巷道旁BC側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)為α1，窄礦柱OA頂煤的應(yīng)力系數(shù)為α2。相對(duì)巖石應(yīng)力系數(shù)為α3。工作面所受荷載仍為上覆巖層重力γ2H，其中γ2為平均權(quán)重，N/m3；H為上覆巖層厚度，m。因此，上覆巖層應(yīng)力q1（x）可以用分段函數(shù)表示：

若將煤體作為各向同性彈性體，則頂煤上窄煤柱和巷道旁整體煤的支護(hù)效果可作為彈性基礎(chǔ)進(jìn)行。所以

式中：k1和k2為反映頂煤下煤巖體承載能力的溫克勒系數(shù)，整個(gè)頂煤受其自身重力γ1h1的影響，其中γ1為煤體的單位重力，N/m3，h1為頂煤厚度，m。

等效荷載q（x）可以用式（4）表示：

1.2 頂板凹陷曲線

以頂板煤層為均質(zhì)各向同性線彈性材料，梁OD撓度曲線方程為：

式中：w（x）為梁的撓度，即頂板凹陷值，如式（6）所示；E為頂煤剛度；I=h31/12，為截面慣性矩；c1，c2，c3，…，c15，c16為由頂煤曲線沉降邊界條件確定的待定系數(shù)。

將公式（4）代入公式（5），可以得到通解，同時(shí)可得到邊界條件式（7）：

在巷道旁完整煤體足夠深的位置，煤層仍受圍巖應(yīng)力作用，不發(fā)生位移和變形，視為固定端。邊界條件式（8）如下：

由于頂煤為連續(xù)線彈性梁，故a點(diǎn)處的沉降值、角度值、剪應(yīng)力和彎矩值用式（9）表示為：

參 數(shù)γ1，γ2，h0，h1，H，α1，α2，α3，E，I1，L，l，a，p是根據(jù)采空區(qū)巷道現(xiàn)場實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)所得的觀測量。將這些參數(shù)代入公式（6），利用公式（6）—（9）計(jì)算c的值，c1，c2，c3，…，c15，c16通過仿真得到頂煤頂板凹陷曲線。

2 頂煤變形影響因素分析

根據(jù)地質(zhì)條件、工作面參數(shù)及現(xiàn)場試驗(yàn)，得到以下值：H=460 m，h0=3.10 m，h1=5.00 m，L=5 m，I=10.417，α1=3.00，α2=1.50，α3=0.30，a=19.6 m，k1=110 MPa，k2=310 MPa。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，E=1.1 GPa，γ1=13.50 kN/m3，γ2=26.00 kN/m3。計(jì)算頂板凹陷值，發(fā)現(xiàn)頂板凹陷最大值偏向窄煤柱。

2.1 頂板凹陷值與支護(hù)強(qiáng)度、窄礦柱寬度的關(guān)系

根據(jù)大、小結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性理論[5-6]，采空區(qū)側(cè)巷道應(yīng)位于關(guān)鍵塊體A、B之間破裂線的外側(cè)，窄煤柱寬度可控制在3～5 m之間。頂板凹陷值w、支護(hù)強(qiáng)度p、窄礦柱寬度l之間關(guān)系如圖3 所示。

圖3 頂板垂度值與窄煤柱寬度的關(guān)系

1）凹陷度值隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大而減小，在相同的窄煤柱寬度下，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，頂板凹陷值變化較小，說明支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板凹陷值的影響較小。但在相同支護(hù)強(qiáng)度下，隨著窄煤柱寬度的增大，頂板凹陷值變化較小。說明頂板凹陷值對(duì)煤柱寬度較窄更為敏感。因此，在沿空巷道設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮窄煤柱寬度。

2）頂板凹陷值先快速減小后趨于穩(wěn)定，礦柱寬度（3.0～4.0 m）較小時(shí)，頂板凹陷值變化較大，說明礦柱寬度對(duì)頂板凹陷值影響顯著。當(dāng)寬度為4.0～4.5 m時(shí)，頂板凹陷值變化不大。當(dāng)?shù)V柱寬度大于4.5 m時(shí)，頂板垂度值隨礦柱寬度的增大而緩慢增大，說明礦柱寬度在4.0～4.5 m之間時(shí)，采空區(qū)回采巷道處于頂板最易控制的應(yīng)力降低區(qū)。因此，礦柱寬度應(yīng)確定在4.0～4.5 m之間。由圖3 可知，當(dāng)窄煤柱寬度為4.0～4.5 m 時(shí)，所需支護(hù)強(qiáng)度p為0.4 MPa。

2.2 頂板凹陷值與頂煤剛度的關(guān)系

設(shè)置窄柱的寬度為L0=4.0 m 時(shí)，得到不同支護(hù)強(qiáng)度p下頂板凹陷值w與頂煤剛度E的關(guān)系（見圖4）。

圖4 頂煤凹陷值與剛度關(guān)系

由圖4 可知，頂板凹陷值與頂煤剛度基本成反比關(guān)系。當(dāng)E＜2.0 GPa 時(shí)，頂板凹陷值隨煤巖剛度的增加而迅速減小。說明煤巖剛度的變化對(duì)頂板凹陷值有較大影響。當(dāng)E＞2.0 GPa 時(shí)，頂板凹陷值下降緩慢，說明剛度變化對(duì)頂板凹陷值的影響越來越弱。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程項(xiàng)目簡介

如圖5 所示，煤層位于地下約460 m 處，平均深度8.1 m，傾角7°。沿采空區(qū)掘進(jìn)巷道的長度為828 m，隧道設(shè)計(jì)寬度為5 m，設(shè)計(jì)高度為3.1 m，平均深度為3.9 m，主頂平均深度9.8 m，頂煤的剛度在0.83～0.99 GPa之間，相對(duì)較小。

圖5 工作面沿空掘巷位置關(guān)系

3.2 支撐方式

據(jù)上述研究，設(shè)定窄礦柱寬度為4 m，支護(hù)強(qiáng)度0.4 MPa，頂煤剛度1.5 GPa。錨索、錨網(wǎng)、注漿參數(shù)如下：

1）采用錨網(wǎng)和吊錨支護(hù)隧道頂板。采用7 支M20L 2 400 mm 高強(qiáng)度變形鋼筋錨桿，設(shè)計(jì)扭矩為200 N·m，預(yù)緊力≥78.4 kN。巷道兩側(cè)各采用5 支M20L1 800 mm變形鋼筋高強(qiáng)度錨桿支護(hù)。每個(gè)錨栓的設(shè)計(jì)扭矩為200 N·m，預(yù)載力≥58.8 kN，錨栓由兩卷MSZ2350（M20L500 mm）樹脂筒固定，陣列間距為900 mm，間距為800 mm。

2）采用注漿來保證頂煤剛度在1.5GPa以上。對(duì)頂煤破碎嚴(yán)重的區(qū)域采用化學(xué)注漿進(jìn)行統(tǒng)一錨固注漿。

3.3 支撐效果

巷道側(cè)壁頂板凹陷值曲線和巷道側(cè)壁變形值曲線如圖6、圖7 所示。巷道沿空掘進(jìn)32 d 后，巷道變形值接近最大值。頂煤最大頂板凹陷值為91 mm，巷道兩側(cè)最大變形值為145 mm。沿空掘進(jìn)巷道變形在允許范圍內(nèi)，證明該綜合支護(hù)方案具有可靠性和有效性。

圖6 頂板凹陷值曲線

圖7 巷道兩側(cè)變形值曲線

4 結(jié)論

1）根據(jù)沿空掘進(jìn)巷道圍巖特征，建立了頂煤力學(xué)模型。通過溫克勒彈性建立模型，推導(dǎo)了煤層頂板凹陷曲線解析解。

2）以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，得到了不同支護(hù)強(qiáng)度、窄柱寬度和頂煤剛度條件下的頂煤頂板凹陷值，并分析了三者關(guān)系，得出窄柱寬度和剛度對(duì)頂板凹陷值的影響比支護(hù)強(qiáng)度的影響更明顯。

3）確定了采空區(qū)邊巷頂煤的支護(hù)參數(shù)，并對(duì)錨索、錨網(wǎng)和注漿綜合支護(hù)的應(yīng)用提出了建議，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)證明該方案具有可靠性和有效性。