劉建勝，趙利安，李 達，魯忠良

(1.霍州煤電集團 河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043300；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) ，遼寧 阜新 123000；3.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

巷道掘進作業(yè)是一個綜合的多因素施工工藝[1-5]。目前，傳統(tǒng)的綜合機械化挖掘是大多數(shù)煤礦巷道采用的快速掘進工藝方式，該作業(yè)工藝的顯著特點是施工機械掘進后從工作面退出5 m，再將錨桿鉆機搬運到工作面進行人工支護作業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)嚴重制約了巷道的掘進速度[6-8]。

我國學(xué)者對于空頂距離尺寸的留設(shè)問題做了大量的工作。如，馬秉紅[9]、柏建彪[10]、吳朋起[11]、馬睿[12]、張耀[13]等運用“薄板、巖梁”理論建立空頂區(qū)頂板物理力學(xué)模型對空頂距的合理留設(shè)及掘進迎頭頂板變形特征的研究?？导t普[14]等運用3DEC離散元數(shù)值模擬軟件，系統(tǒng)地研究工作面附近圍巖的應(yīng)力分布與變形特征，分析了影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素，提出了煤巷掘進快速成巷的一系列核心技術(shù)。唐衛(wèi)濤[15]等，通過自行設(shè)計的現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過多次現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬的進一步驗證，最終確定巷道掘進空頂距為6 m，大大提高了成巷效率。范明建[16]以蒙陜礦區(qū)為研究背景，采用數(shù)值模擬與井下試驗方法，得出采用空頂距離8 m的技術(shù)方案，巷道掘進速度達700 m/月以上，應(yīng)用效果明顯。楊緒東[17]運用數(shù)值模擬軟件，探討了巷道掘進迎頭頂板穩(wěn)定性規(guī)律，揭示了滯后支護對圍巖穩(wěn)定性的影響，確定了合理的空頂距離。在實際生產(chǎn)中由于煤巷圍巖的地質(zhì)條件的存在較大差異，且受到掘進作業(yè)工藝、設(shè)備、圍巖控制技術(shù)、施工組織管理等因素的制約。本研究結(jié)合山西霍州煤電集團河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司北翼(2-2052)巷道的地質(zhì)條件，運用巖梁理論建立了矩形巷道圍巖物理力學(xué)模型[18]，探討了空頂距離、巷道寬度與頂板支撐強度等因素對空頂區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件重點分析空頂距離對頂板的影響，確定的合理空頂距離。

1 巷道開挖圍巖應(yīng)力分析

1.1 掘進工作面頂板力學(xué)模型

工作面掘進時會打破圍巖的平衡狀態(tài)，由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二向應(yīng)力狀態(tài)。巖體強度大，承載能力減弱，直接頂在上覆巖層荷載作用下易發(fā)生垮落，因此，巷道的直接頂是掘進過程中空頂區(qū)頂板圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在理論計算中不考慮上覆巖層荷載作用，沿著工作面軸向掘進方向進行剖面，選取掘進工作面區(qū)域巷道寬度中間截面直接頂板為研究對象，將迎頭影響區(qū)劃分為支護區(qū)、空頂區(qū)和煤壁支撐區(qū)，直接頂板力學(xué)模型如圖1所示。

支護區(qū)頂板施加支護后，支護區(qū)與空頂區(qū)頂板的承載能力出現(xiàn)差異。在直接頂?shù)淖灾刈饔孟?，兩者之間出現(xiàn)靜摩擦阻力Fs。為更好的計算頂板應(yīng)力與空頂距離之間的關(guān)系，將靜摩擦阻力Fs看作空頂區(qū)頂板支護端受到向上的切向作用力，將其簡化為右端固定、左端受切向作用的梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 頂板簡化力學(xué)模型

在圖2中，qG為直接頂板的均布荷載，Pa；L、h分別為空頂區(qū)直接頂板的長度與厚度，m。此時圍巖的應(yīng)力函數(shù)為：

式中，f1(y)，f2(y)是關(guān)于y的任意函數(shù)。

該模型在荷載q作用下的應(yīng)力函數(shù)應(yīng)滿足其雙調(diào)和方程：

將式(1)代入式(2)，得：

該方程是關(guān)于y的二次函數(shù)，有無數(shù)個解，則該方程自變量系數(shù)與常數(shù)項為0，則式(3)變?yōu)椋?/p>

對式(4)積分后代入式(1)，得：

由式(5)可求得應(yīng)力分量為：

將下列邊界條件代入式(6)，得：

梁截面的慣性矩I=h3/12，由此可得應(yīng)力分量為：

直接頂?shù)姆€(wěn)定性主要受拉應(yīng)力控制，為保證頂板在掘進過程中不發(fā)生受拉破壞，頂板的拉應(yīng)力不超過抗拉強度。因此，選取頂板的軸向應(yīng)力分量，根據(jù)空頂區(qū)頂板力學(xué)模型，空頂區(qū)頂板所受的摩擦阻力為Fs=qGl-qf，由式(7)可知：

式中，qf為支護區(qū)錨桿(索)所提供的作用力，kN。

在直接頂板上覆巖層荷載作用下，頂板淺部拉應(yīng)力區(qū)的下邊界應(yīng)力最大，即y=h/2。代入式(7)，得到頂板應(yīng)力函數(shù)，即頂板拉應(yīng)力區(qū)下邊界軸向拉應(yīng)力為：

根據(jù)頂板的穩(wěn)定性判定條件，以頂板拉應(yīng)力與抗拉強度相等時作為極限空頂距離的判定條件，將式(9)代入判定條件，得：

頂板支護端作用力qf應(yīng)滿足條件：

當x=qGl-qf/qG，頂板拉應(yīng)力超過抗拉強度，故最大空頂距離為：

1.2 空頂區(qū)頂板撓曲沉降影響因素分析

煤巷斷面為矩形的空頂區(qū)頂板圍巖穩(wěn)定性，不僅受到地質(zhì)條件作用、作業(yè)方式、施工組織管理外，還受到巷道寬度，空頂距離、支護強度等技術(shù)參數(shù)的制約[19，20]。利用FLAC三維模擬軟件主要考察了空頂距、支護強度、巷道寬度對空頂區(qū)頂板的垂直應(yīng)力的影響。在計算中，煤巖體的力學(xué)參數(shù)來自相關(guān)的地質(zhì)報告與實驗室測試。頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見表1，錨桿、錨索力學(xué)參數(shù)見表2，三維數(shù)值模擬模型如圖3所示。

表1 巖層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

表2 巷道模擬錨桿、錨索力學(xué)參數(shù)

圖3 三維數(shù)值模擬模型

當巷道空頂距離尺寸為1，2，3 m時，沿巷道軸線方向做豎向剖面，空頂區(qū)頂板的垂直應(yīng)力云圖如圖4所示。工作面附近區(qū)域的巖體應(yīng)力梯度較大，即巷道掘進后存在顯著的端頭效應(yīng)?？枕斁嗖煌瑫r，端頭效應(yīng)的影響范圍和應(yīng)力值變化極小，其值從2.58 kPa改變到2.62 kPa，其影響范圍為掘進迎頭后方38 m至前方20 m的長度，超過該范圍，迎頭前方的巖體進入原巖應(yīng)力區(qū)，后方的巖體進入卸壓穩(wěn)定區(qū)。

圖4 不同空頂距離時頂板的垂直應(yīng)力(Pa)

巷道軸向頂板中央的垂直位移曲線如圖5所示。不同掘進工作面迎頭空頂距離的尺寸，巷道頂板沉降量有著較大的區(qū)別：當空頂距離增大時，在永久支護區(qū)域的后方，巷道頂板沉降量逐漸增大的。其主要原因可能是，掘進迎頭空頂區(qū)域內(nèi)頂板處于無支護狀態(tài)，頂板受到自重與荷載的作用產(chǎn)生彎曲，帶動支護區(qū)域內(nèi)的頂板下沉，且空頂長度越大，這種情況越明顯。掘進面迎頭空頂距離的尺寸不僅影響了頂板沉降的變形大小，還會引起永久支護區(qū)域內(nèi)頂板的二次下沉，空頂距離越大，后方頂板的二次下沉越明顯。因此，應(yīng)選擇合理的空頂距離，在減少作業(yè)時間的同時，可以保證空頂區(qū)域和支護區(qū)域頂板的穩(wěn)定性。

圖5 三種空頂距離頂板下沉量曲線

當巷道寬度為4，5，6 m時，沿巷道軸線方向做豎向剖面，空頂區(qū)域頂板的垂直分布應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知，巷道寬度對空頂區(qū)頂板垂直應(yīng)力分布影響不大。當巷道寬度增大時，垂直應(yīng)力的分布面積未出現(xiàn)明顯變化，其峰值應(yīng)力分別為0.45，0.57，0.65 MPa。因此，巷道寬度的變化對空頂區(qū)頂板垂直應(yīng)力值的變化影響較小。

圖6 不同巷道寬度時頂板的垂直應(yīng)力(Pa)

考慮到支護方式的多樣性，如錨索、錨網(wǎng)、錨桿等。當頂板采用不同的支護參數(shù)時，頂板的變形規(guī)律不同，但不同的支護形式對頂板的作用并不是簡單的疊加效果。在特定的情況下，不同的支護參數(shù)可能產(chǎn)生相同的效果，故以支護強度替代。為不同的支護強度下空頂區(qū)頂板的垂直應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知，支護強度對空頂區(qū)頂板的垂直應(yīng)力影響十分顯著，其數(shù)值大小隨著支護強度的降低逐漸增大。因此，增加支護強度能顯著影響空頂區(qū)頂板的垂直應(yīng)力的數(shù)值與分布規(guī)律，且能改變其承載狀態(tài)，且對后方頂板彎曲下沉有較好的控制效果，為迎頭提供較好的推進基礎(chǔ)。

圖7 不同支護強度頂?shù)装宕怪睉?yīng)力(Pa)

2 空頂距離尺寸的確定

2.1 計算示例

根據(jù)式(12)，計算得到理論極限空頂距離xm為5.2 m。但是分析過程中，將掘進迎頭空頂區(qū)頂板巖層視為彈性體，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，需要考慮節(jié)理、裂隙等巖層情況，而且忽略了幫部圍巖的影響。因此，需要引入安全系數(shù)，當安全系數(shù)為1.2，1.3時，極限空頂距為4.0，3.8 m。對現(xiàn)場空頂區(qū)頂板施加主動有效的臨時支護方式后，可使北翼(2-2025)探巷最大空頂距控制在4.0 m范圍之內(nèi)。

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)回采巷道煤層、頂?shù)装鍑鷰r的覆存條件與支護參數(shù)，分別分析對支護斷面前方(2，4，6，8 m)的圍巖應(yīng)力狀況。頂板圍巖垂直應(yīng)力分布如圖8所示，隨著支護斷面距迎頭距離的增加，巷道頂板圍巖中支護系統(tǒng)所形成的有效壓應(yīng)力區(qū)域的范圍與數(shù)值不斷減小，并逐漸向巷道頂板深部圍巖轉(zhuǎn)移。在支護斷面前方2 m處，圍巖處于受壓狀態(tài)，其數(shù)值不超過圍巖的整體強度，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。在支護斷面前方4 m處，巷道頂板圍巖呈受拉狀態(tài)，出現(xiàn)一定范圍的受拉區(qū)，但拉應(yīng)力深度不超過錨索支護范圍，且數(shù)值較小(10-3)，不足以導(dǎo)致頂板冒頂，頂板圍巖仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。在支護斷面前方6 m處，巷道頂板受拉應(yīng)力影響且受拉面積范圍大，幾乎覆蓋整個頂板范圍，此時錨桿(索)對頂板淺部圍巖的支護作用已經(jīng)非常微弱，發(fā)生圍巖冒頂風(fēng)險事故的可能性非常大。在支護斷面前方8 m處，頂板圍巖拉應(yīng)力數(shù)值較高，覆蓋整個頂板面積，拉應(yīng)力區(qū)高度已經(jīng)超過錨索長度，基本失去支護作用，隨時發(fā)生冒頂風(fēng)險事故。從上述分析可以看出，在掘進工作面錨桿支護斷面前方4 m處，頂板圍巖不會出現(xiàn)失穩(wěn)情況，超過4 m時，頂板圍巖拉應(yīng)力數(shù)值較高且覆蓋整個頂板，容易發(fā)生冒頂。

圖8 頂板圍巖應(yīng)力垂直支護應(yīng)力(Pa)

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測

北翼(2-2052)巷道采用錨桿-錨網(wǎng)-錨索聯(lián)合支護，對于自然狀態(tài)下空頂區(qū)頂板的沉降量。通過理論計算與數(shù)值模擬，得到掘進工作面空頂距離在4 m，為了檢驗煤巷掘進試驗效果，試驗過程中運用離層儀與液壓枕等監(jiān)測設(shè)備，采用“十字布點法”于3個典型試驗段內(nèi)，對煤巷圍巖頂板沉降量進行了3個月的監(jiān)測，結(jié)果如圖9所示。根據(jù)井下現(xiàn)場試驗的觀測結(jié)果來看，隨著空頂時間的增加，其頂板圍巖的穩(wěn)定性不斷提高，頂板在3個月的最大移進量的數(shù)值為62 mm，最小位移量為47 mm。在現(xiàn)有的支護條件下，空頂距離尺寸為4 m內(nèi)時頂板的圍巖是穩(wěn)定的。

圖9 頂板位移與時間的關(guān)系

巷道頂板沉降速率如圖10所示，在成巷初期(0～30 d)，空頂區(qū)頂板有十分明顯的變形，其沉降速率約1.33 mm/d；在成巷中期(30～60 d期間)，頂板沉降變形速度明顯減慢，其沉降速率降至為0.56 mm/d；在60 d以后，頂板沉降速度基本保持不變，其變形速率僅為0.16 mm/d。在生產(chǎn)服務(wù)期間內(nèi)，空頂區(qū)域頂板的沉降變形量均在控制范圍之內(nèi)，未發(fā)生過冒頂現(xiàn)象，巷道掘進速度提高了一倍，月進尺達到了400 m。

圖10 巷道頂板沉降速率

3 結(jié) 論

1)巷道的直接頂是掘進過程中空頂區(qū)頂板圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。運用巖梁理論建立了空頂區(qū)頂板物理模型，推導(dǎo)了空頂區(qū)頂板的拉應(yīng)力和撓度方程?？紤]到煤礦井下圍巖賦存條件復(fù)雜多變，引入了安全系數(shù)，得出極限空頂距離為4.0 m。

2)根據(jù)工程條件及相關(guān)方程，探究了空頂距、巷道寬度、支護強度等因素的影響，結(jié)合巷道的地質(zhì)條件，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件重點分析了空頂距離對頂板穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表示當空頂距離超過4 m時，頂板圍巖拉應(yīng)力數(shù)值較高且覆蓋整個頂板，發(fā)生冒頂可能性較大。

3)根據(jù)北翼(2-2052)巷道的理論計算與數(shù)值模擬，利用離層儀等監(jiān)測設(shè)備。在空頂距為4 m時，頂板在3個月的最大位移量的數(shù)值為62 mm。在生產(chǎn)服務(wù)期間內(nèi)，頂?shù)装逑鄬σ七M量未發(fā)生突變，空頂區(qū)域頂板的沉降變形量均在控制范圍之內(nèi)，巷道掘進速度提高了一倍，達到了月進尺400 m的良好效果。