(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

強烈動壓巷道受力不對稱特性及幫強控制研究

何杰

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013)

針對五陽煤礦7603運輸巷圍巖工程環(huán)境，基于相鄰工作面回采后圍巖受力和變形的不對稱性特性，提出幫整體強化支護理念，從強化弱幫、建立強力支護結(jié)構(gòu)體和提高整體支護剛度3方面設(shè)計控制體系，并確定了幫強控制方案，進行了現(xiàn)場應(yīng)用。工程實踐表明，幫整體強化支護技術(shù)有效地解決了該條件下巷道維護難題，保證了巷道穩(wěn)定。

強烈動壓；受力不對稱；弱幫強化；支護剛度；強力支護結(jié)構(gòu)

煤礦開采銜接緊張造成煤礦必須沿著不穩(wěn)定采空區(qū)的邊緣進行下個工作面回采巷道掘進，受不穩(wěn)定采空區(qū)強烈動壓作用，加上圍巖破碎、埋深大、保護煤柱尺寸不合理等多種因素的影響，造成圍巖受力環(huán)境復(fù)雜，與普通巷道相比，圍巖受力變形具有明顯的不對稱特性，靠采空側(cè)巷幫變形非常大，底鼓量大。圍巖受力變形不對稱對巷道穩(wěn)定性控制提出更高的要求，而常規(guī)的巷道支護方式控制效果較差，國內(nèi)外學(xué)者對類似條件下巷道受力變形進行了一些研究[1-3]，但強烈動壓巷道圍巖受力變形不對稱特性及控制技術(shù)還需要進一步探討，本文以五陽煤礦7603工作面運輸巷為工程背景，對上述問題進行展開分析。

1 圍巖工程環(huán)境

五陽煤礦7603運輸巷緊鄰7605工作面，7605工作面未回采完畢時，7603運輸巷已開始掘進，7603運輸巷掘進期間受7605工作面不穩(wěn)定采空區(qū)強烈動壓影響，埋深約550m，7603運輸巷沿煤層頂板掘進，與7605回風巷之間保護煤柱為30m，采用跟掘(從切眼向外掘進)，煤層厚度6.2m，頂?shù)装逯饕獮槟鄮r和砂巖互層結(jié)構(gòu)，頂板依次為3.2m厚泥巖、2.7m厚細粒長石砂巖、3.4m厚泥巖和1.2m厚細粒長石砂巖，底板為泥巖和細粒砂巖。地應(yīng)力測量結(jié)果顯示，最大水平主應(yīng)力為15.16MPa，最小水平主應(yīng)力為8.30MPa，垂直主應(yīng)力為 11.25MPa，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力方向為N84.8°E。

2 圍巖受力變形不對稱特性分析

根據(jù)7603運輸巷頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)，如表1所示，建立數(shù)值力學(xué)模型，模擬分析7603運輸巷受7605工作面回采影響下，對稱支護和非對稱幫強支護2種支護方式下圍巖應(yīng)力和變形破壞狀況。對稱支護方案：錨桿桿體為φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為500號，長度2.4m，頂錨桿間距800mm，每排7根，幫錨桿排距900mm，每排每幫4根桿，排距900mm。錨索材料為φ22mm，1×19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度7300mm，頂板每2排錨桿打5根錨索，排距1800mm。非對稱支護方案：在對稱支護基礎(chǔ)上對采空側(cè)幫進行錨索補強，靠近采空側(cè)幫錨索采用三花布置，外側(cè)幫每2排錨桿打設(shè)3 根錨索，錨索長度為5300mm，間距1800mm，排距1800mm，上部錨索距離頂板750mm，下部錨索距離底板950mm。由于篇幅有限，模擬結(jié)果選取7605工作面回采后，2種支護方案下7603運輸巷應(yīng)力和塑性破壞區(qū)破壞情況進行分析，模擬結(jié)果見圖1～圖3。

表1 數(shù)值計算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

圖1 垂直應(yīng)力分布

圖2 水平應(yīng)力分布

圖3 圍巖塑性破壞區(qū)分布

(1)7605工作面回采后，工作面頂、底板處應(yīng)力得到釋放，在煤柱側(cè)形成應(yīng)力集中，最大垂直應(yīng)力33MPa，最大水平應(yīng)力29MPa，垂直應(yīng)力集中系數(shù)2.9，水平應(yīng)力集中系數(shù)約2.0，垂直應(yīng)力影響明顯高于水平應(yīng)力，隨著距工作面的距離增大應(yīng)力集中程度遞減，受回采動壓影響，無支護下7603運輸巷保護煤柱整體性被破壞。

(2)受7605工作面回采影響，7603運輸巷受力和變形破壞具有明顯不對稱性，圍巖塑性破壞區(qū)范圍明顯高于實體煤幫，這與應(yīng)力的分布狀態(tài)相對應(yīng)；靠近煤柱側(cè)應(yīng)力集中明顯高于實體煤側(cè)，尤其是水平應(yīng)力較明顯。

(3)比較2種支護方式可知，非對稱幫強支護能夠明顯改善圍巖受力和破壞狀態(tài)，使煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布更均勻，縮小了煤柱應(yīng)力集中和圍巖破壞范圍，降低頂?shù)装逅綉?yīng)力量值，對稱支護對煤柱應(yīng)力和圍巖破壞狀態(tài)改善效果差。

3 幫整體強化體系

3.1幫整體強化支護理念

提高巷道幫部支護強度可增強幫部承載力，提高幫部結(jié)構(gòu)體與頂板結(jié)構(gòu)體的強度和剛度比值，增強頂板巖層穩(wěn)定性，形成強幫護頂良性作用機制，使幫部成為頂板可靠支撐，使巷道結(jié)構(gòu)體處于穩(wěn)定狀態(tài)[4]。由于巷道中底板支護施工難度大，尤其對于強烈動壓巷道而言，多數(shù)巷道底鼓嚴重，采用強幫不僅能夠護頂，同時能夠改善和平衡底板應(yīng)力分布，減輕巷道底板的變形，通過強幫達到護頂、底的效果，整體提高巷道圍巖的承載能力，達到整體強化的目的。

3.2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)強化弱幫 對于強烈動壓巷道，采空側(cè)受力大，保護煤柱的承載能力大，而煤體相對破碎，就巷道支護強度而言，可稱為弱幫，提高弱幫支護強度和剛度，消減弱幫對巷道整體支護強度的影響，避免弱幫成為支護失效突破口，采用弱幫補強錨索，并施加較大的預(yù)緊力，改善以往單純依靠錨桿護幫的理念，擴大弱幫支護區(qū)域，充分調(diào)動深部圍巖承載能力，使淺部圍巖和深部圍巖成為一個整體，使巷道整體受力和支護保持均衡，保證圍巖完整性。

(2)強力支護結(jié)構(gòu)體 由于強烈的動壓影響，不僅需要消除弱幫的影響，還需要大幅度提高巷道整體的支護強度，可采用2種方式：一是對支護材料需要整體的升級，將采用強力錨桿和錨索；二是優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)，建立強力支護結(jié)構(gòu)體。采用高效預(yù)應(yīng)力擴散型護表構(gòu)件，將單個的錨桿、錨索形成一個整體結(jié)構(gòu)體，采用錨索配套鋼筋托梁，錨桿配套W鋼護板和鋼筋托梁，同時盡量保證支護構(gòu)件之間的強度匹配性，保證強力支護結(jié)構(gòu)體的實現(xiàn)。

(3)提高支護結(jié)構(gòu)剛度 預(yù)應(yīng)力及其擴散是高預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護系統(tǒng)的核心[5-6]，為保證預(yù)緊力的施加及有效擴散，除了采用高效預(yù)應(yīng)力擴散型護表構(gòu)件，改變以往單純錨桿、錨索現(xiàn)狀，需要大幅度提高支護系統(tǒng)剛度，考慮預(yù)應(yīng)力的損失[7]，將錨索初始張拉力增加為300kN，錨桿預(yù)緊扭矩提高至400N·m。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 控制方案及參數(shù)

依據(jù)幫整體強化理念及支護體系，采用高預(yù)應(yīng)力強力錨桿錨索組合支護系統(tǒng)，設(shè)計具體控制方案在7603運輸巷現(xiàn)場應(yīng)用，巷道斷面為矩形，寬5.5m，高3.5m，錨桿桿體為鋼號500號、φ22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長2400mm，錨桿配套W鋼護板和鋼筋托梁使用，錨桿排距900mm，頂錨桿間距800mm，兩幫錨桿間距為900mm，W鋼護板厚度5mm，寬280mm，長度450mm，錨桿配套鋼筋托梁采用φ16mm鋼筋焊接而成，寬210mm。錨索材料為φ22mm，1×19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索破斷載荷550kN，頂錨索長7300mm，幫錨索長5300mm，錨索配套鋼筋托梁采用φ20mm鋼筋焊接而成，寬220mm，頂板錨索采用五花布置，每2排錨桿打5根錨索，居中布置，排距1800mm，間距為1600mm和1800mm，靠近采空側(cè)幫錨索采用三花布置，每2排打設(shè)3 根錨索，排距1800mm，錨桿預(yù)緊扭矩要達到400N·m，禁止超過550N·m。錨索預(yù)緊力初始張拉要求達到300kN，損失后達到250kN。具體支護方案見圖4所示。

圖4 7603運輸巷錨桿錨索支護

4.2 控制效果分析

為了檢驗幫控制技術(shù)的高預(yù)應(yīng)力強力錨桿支護系統(tǒng)的控制效果，并改進和優(yōu)化錨桿支護參數(shù)，在巷道中布置了圍巖變形、頂板離層和錨桿錨索受力監(jiān)測站。近2個月的觀測結(jié)果顯示，巷道采空側(cè)移近量、實體煤側(cè)移近量、頂板下沉量和底鼓量分別為245mm，65mm，28mm和230mm，巷道最終總離層量分別為28mm和33mm，實體煤側(cè)幫錨桿平均受力66kN，頂部錨桿平均受力70kN，采空側(cè)側(cè)幫錨桿平均受力81kN，頂板錨索受力為253kN和246kN，采空側(cè)幫錨索受力214kN和223kN，無錨桿錨索破斷現(xiàn)象。綜合以上分析可知，錨桿錨索的受力在設(shè)計范圍內(nèi)，巷道圍巖變形在控制范圍內(nèi)，較類似條件下巷道整體變形量大幅度降低，控制方案有效地保證了巷道穩(wěn)定，其中巷道表面位移、錨桿、錨索受力如圖5和圖6所示。

圖5 表面位移變化曲線

圖6 錨桿受力變化曲線

5 結(jié)論

(1)研究了強烈動壓條件下巷道圍巖應(yīng)力和變形的不對稱特性，分析了對稱和非對稱支護方式下巷道控制效果，幫非對稱強支護能夠改善圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，使圍巖應(yīng)力分布更均勻，縮小應(yīng)力集中范圍和圍巖破壞區(qū)域，有利于保證巷道受力與支護的平衡。

(2)提出了幫整體強化支護理念，從強化弱幫、建立強力支護結(jié)構(gòu)體和提高支護體剛度3個方面設(shè)計控制體系，實現(xiàn)提高整體支護能力的目的。

(3)基于幫整體強化支護體系，進行了強烈動壓巷道支護技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用，提出了具體控制方案和參數(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用表明，控制方案能夠有效地控制巷道圍巖變形，保證巷道的穩(wěn)定。

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[責任編輯：姜鵬飛]

Stress Dissymmetry Characteristic of Roadway Influenced by StrongDynamical Pressure and Coal-wall Control

HE Jie

(CoalMining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

For surrounding rock engineering environment of 7603 transportation roadway in Wuyang Colliery, a concept of wholly reinforcement supporting coal-wall was put forward on the basis of surrounding rock stress and deformation dissymmetry characteristic after adjacent face's mining which designed control system from reinforcing weak coal-wall, constructing powerful supporting structure and improving whole supporting stiffness.Coal-wall reinforcement projection was determined and applied in the roadway.Practice showed that the projection effectively solved the difficult problem of supporting roadway under this condition and kept the roadway stable.

strong dynamical pressure；stress dissymmetry；reinforcing weak coal-wall；supporting stiffness；powerful supporting structure

2014-06-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.016

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1261211)；天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部科技創(chuàng)新基金(KJ-2014-TDKC-07)

何 杰(1984-)，男，河南長葛人，碩士，助理研究員，從事礦山壓力與控制、巷道支護技術(shù)和理論研究工作。

何 杰.強烈動壓巷道受力不對稱特性及幫強控制研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：60-63.

TD353

A

1006-6225(2014)06-0060-04