（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

山西霍寶干河煤礦有限公司干河煤礦1#煤層中三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷位于+80水平西翼，與+80水平西翼三條大巷垂直布置，巷道采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)，巷道凈寬4.8m、凈高3.9m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1700 m。巷道老底、直接底、直接頂、基本頂由下至上分別為K7中粒砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、K8中粒砂巖，其厚度分別為2.6m、4.6m、4.96m、3.12m，圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。巷道掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)后空頂時(shí)長(zhǎng)一般為30 min，有時(shí)出現(xiàn)圍巖變形較大甚至局部片幫，通常認(rèn)為是由于臨時(shí)支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致，本文將對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)程中的空頂時(shí)間開展研究。

表1 三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷圍巖力學(xué)參數(shù)

2 巷道周邊煤巖體變形分析

2.1 煤層界面應(yīng)力分布

煤層巷道施工過(guò)程中，兩側(cè)煤體因圍巖應(yīng)力重新分布而產(chǎn)生塑性變形，巷幫煤層由淺入深分別為塑性區(qū)、彈塑性區(qū)及彈性區(qū)煤體[1-2]。煤層界面是指煤層與頂?shù)装鍘r層的交界處，一般來(lái)說(shuō)煤體粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ高于煤層界面的粘聚力c0和內(nèi)摩擦角φ0，并且頂?shù)装鍘r層泊松比μ0大于煤層泊松比μ。故巷道開挖后若不采取支護(hù)措施，會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力τxy作用于煤層界面，使煤體頂?shù)装彘g擠出。煤層界面是煤體相對(duì)頂?shù)装鍘r層運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑移面，因此該界面上的切應(yīng)力τxy與正應(yīng)力σy滿足應(yīng)力極限平衡方程，即滿足τxy=-|σytgφ0+c0|。并且在彈塑性區(qū)域與應(yīng)力極限平衡交界位置處，即在x=x0時(shí)滿足平衡方程

式中：A為側(cè)壓系數(shù)，H為巷道埋深，k為應(yīng)力集中系數(shù)，γ為覆巖的平均容重，進(jìn)一步求解得到=AkHγ。

通過(guò)聯(lián)立求解上述兩個(gè)平衡方程即可得到應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x0見(jiàn)式（1）。

式中：px為支護(hù)阻力；m為所掘巷道的高度；C為煤柱與頂?shù)装褰唤缣幍恼尘哿Α?/p>

2.2 煤幫應(yīng)力分析

巷道掘進(jìn)后圍巖發(fā)生形變見(jiàn)圖1。

圖1 掘進(jìn)巷道圍巖形變

煤體受壓變形，是從彈性變形到塑性軟化變形的過(guò)程，并且煤層在所受應(yīng)力大于其極限抗壓強(qiáng)度后，殘留的強(qiáng)度仍可承載一定應(yīng)力[3]。在煤幫深處x=x0處即為彈塑性交界處，這一區(qū)域煤體破壞程度低，但由于其處于屈服極限狀態(tài)導(dǎo)致這一部分的應(yīng)力最高，屈服函數(shù)為f（σ1，σ2，σ3）。在應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍內(nèi)變形是垂直應(yīng)力σy=σ1產(chǎn)生的低圍壓作用下而變形的，這是由于該區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力σy遠(yuǎn)大于水平應(yīng)力σx，且σ1主應(yīng)力與σy之間夾角較小導(dǎo)致。即當(dāng)x=x0時(shí)：σy=σc，εy=εc，其中σc為單軸抗壓應(yīng)力極限，εc為與σc對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。令x=0 即可得到σc的計(jì)算公式為：

2.3 掘進(jìn)巷道圍巖變形分析

分析圖1可以得到煤體在垂直方向上產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋害舮=（σc-σy）ctgθ+εc，其中進(jìn)一步得到垂直方向上產(chǎn)生應(yīng)變量εy為：

煤層在垂直方向上所受應(yīng)力σy基本不發(fā)生變化，故應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)舮與縱坐標(biāo)y無(wú)關(guān)，因此煤體在垂直方向上的應(yīng)變，即頂?shù)装逡平繛椋?/p>

由于應(yīng)力極限平衡區(qū)內(nèi)的煤體為塑性狀態(tài)，其所產(chǎn)生的體積應(yīng)變可忽略不計(jì)。因此，應(yīng)力作用下頂?shù)装逑蛳锏纼?nèi)移近時(shí)會(huì)將煤體從幫部擠入巷道，這一部分煤體的總面積與頂?shù)装逑鄬?duì)移近的總面積相同。而故巷道兩幫的移近量為：

干河煤礦三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷所處煤層均厚3m，平均埋深500m，煤層界面上的粘聚力C0為28.9 kPa，摩擦角φ0為27.7°，覆巖平均容重γ取26.8 kN/m3，側(cè)壓系數(shù)A取0.5，應(yīng)力集中系數(shù)k取2，將上述參數(shù)代入式（5）可得到巷道空頂時(shí)間為30 min時(shí)，頂?shù)装逡平窟_(dá)0.498m，兩幫移近量達(dá)0.512 m。因此，需要在合理的空頂時(shí)間時(shí)進(jìn)行支護(hù)，避免新掘巷道斷面發(fā)生較大形變。

3 合理空頂時(shí)間確定

3.1 數(shù)值模擬分析

巷道開挖后，如未及時(shí)支護(hù)，新斷面會(huì)在應(yīng)力作用下發(fā)生明顯變形，本節(jié)在借鑒其他掘進(jìn)巷道建模經(jīng)驗(yàn)[4-5]的基礎(chǔ)上，借助有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值分析模型，其模型長(zhǎng)40m、高41.7m、寬29m，共劃分約14萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，見(jiàn)圖2，并假定目前掘進(jìn)支護(hù)空頂距為3.5m，在空頂區(qū)間內(nèi)設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析不同空頂時(shí)長(zhǎng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

圖2 模型建立

空頂40時(shí)步，即巷道開挖后4 min內(nèi)圍巖的變形及應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。

圖3 空頂4 min 圍巖的變形及應(yīng)力分布

由圖3可知：①巷道開挖后4 min內(nèi)頂板下沉量及兩幫移近量呈線性增加，兩幫最大移近量與頂板最大下沉量分別為22.3 mm、12.1 mm；②掘進(jìn)迎頭并未承受明顯的拉應(yīng)力，空頂區(qū)內(nèi)圍巖均承受一定的拉應(yīng)力；③距掘進(jìn)迎頭0.5～1m范圍內(nèi)的變形最為明顯，該范圍內(nèi)頂板及兩幫受拉應(yīng)力影響產(chǎn)生了明顯的塑性破壞，拉伸塑性破壞深度約0.2m，頂板與幫部由于剪切力造成的塑性破壞深度為0.5 m與2 m；④空頂區(qū)域內(nèi)隨著圍巖深部及兩幫距頂板中部距離的增加，所受應(yīng)力逐漸減?。虎菹锏纼蓭彤a(chǎn)生12.83MPa應(yīng)力集中的區(qū)域距巷幫表面0.5m，掘進(jìn)迎頭產(chǎn)生10.81MPa應(yīng)力集中的區(qū)域距巷幫表面0.6 m。

空頂200時(shí)步，即巷道開挖后20 min內(nèi)圍巖的變形及應(yīng)力分布見(jiàn)圖4。

圖4 空頂20 min時(shí)圍巖的變形及應(yīng)力分布

由圖4數(shù)據(jù)可知：①巷道開挖后20 min內(nèi)頂板下沉量及兩幫移近量線性增加，70時(shí)步后頂板下沉量的增速降低，最終兩幫最大移近量與頂板最大下沉量分別增加至71.1 mm、42.3 mm；②掘進(jìn)迎頭并未承受明顯的拉應(yīng)力，空頂區(qū)內(nèi)圍巖均承受一定的拉應(yīng)力；③可以觀察到距掘進(jìn)迎頭0.5～1m范圍內(nèi)的變形最為明顯，該范圍內(nèi)頂板及兩幫受拉應(yīng)力影響產(chǎn)生了明顯的塑性破壞，拉伸塑性破壞深度約0.4m，頂板與幫部由于剪切力造成的塑性破壞深度為2 m與3.5 m；④空頂區(qū)域內(nèi)隨著圍巖深部及兩幫距頂板中部距離的增加，所受應(yīng)力逐漸減小；⑤巷道兩幫產(chǎn)生12.59MPa應(yīng)力集中的區(qū)域距巷幫表面2.1m，掘進(jìn)迎頭產(chǎn)生10.71MPa應(yīng)力集中的區(qū)域距巷幫表面2.3 m。

空頂800時(shí)步，即巷道開挖后80 min內(nèi)圍巖的變形及應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。

圖5 空頂80 min時(shí)圍巖的變形及應(yīng)力分布

由圖5數(shù)據(jù)可知：①巷道開挖后20 min后兩幫移近量及頂板下沉量的增速進(jìn)一步降低，40 min后基本穩(wěn)定不再增加，兩幫最大移近量與頂板最大下沉量分別穩(wěn)定在240.1 mm、58 mm；②進(jìn)迎頭并未承受明顯的拉應(yīng)力，空頂區(qū)內(nèi)圍巖軍承受一定的拉應(yīng)力；③可以觀察到距掘進(jìn)迎頭0.5～1m范圍內(nèi)的變形最為明顯，該范圍內(nèi)頂板及兩幫受拉應(yīng)力影響產(chǎn)生了明顯的塑性破壞，拉伸塑性破壞深度約0.4m，頂板與幫部由于剪切力造成的塑性破壞深度為2.5 m與5 m；④空頂區(qū)域內(nèi)隨著圍巖深部及兩幫距頂板中部距離的增加，所受應(yīng)力逐漸減??；⑤巷道兩幫產(chǎn)生12.42MPa應(yīng)力集中的區(qū)域距巷幫表面3.5m，掘進(jìn)迎頭產(chǎn)生11.29MPa應(yīng)力集中的區(qū)域距巷幫表面3.0 m。

通過(guò)分析4 min、20 min、80 min空頂時(shí)長(zhǎng)下圍巖變形及應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)后空頂時(shí)間在4 min之內(nèi)，圍巖變形速率較快，圍巖不穩(wěn)定因素較多；空頂時(shí)間超過(guò)20 min后，圍巖變形增速放緩，但兩幫及頂板產(chǎn)生塑性破壞的深度達(dá)到2m，會(huì)造成支護(hù)時(shí)錨桿失效，因此需將掘進(jìn)巷道的空頂時(shí)間控制在20 min以內(nèi)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果分析

在三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中，將空頂時(shí)間控制在20 min以內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)作業(yè)，即在現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)后需要在永久支護(hù)下進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)準(zhǔn)備作業(yè)，先將頂梁架設(shè)在機(jī)載前探支架上，并在頂梁上鋪金屬網(wǎng)臨時(shí)固定，空頂時(shí)間接近20 min時(shí)再將機(jī)載前探支架升起并固定臨時(shí)支護(hù)，確認(rèn)安全后進(jìn)行錨桿索永久支護(hù)作業(yè)、并同步布置圍巖監(jiān)測(cè)測(cè)站，對(duì)該斷面的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖6可以看出，三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中將空頂時(shí)間控制在20 min以內(nèi)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，30天內(nèi)頂?shù)装遄畲笠平繛?0 mm、兩幫最大移近量為100 mm，巷道圍巖變形量均控制在有效范圍內(nèi)，臨時(shí)支護(hù)效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)理論分析，三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)空頂時(shí)間為30 min時(shí)，巷道頂?shù)装遄畲笠票M量為498 mm，兩幫最大移近量為512 mm，圍巖變形較大，影響新掘巷道斷面；

2）借助有限差分軟件FLAC3D分析空頂時(shí)間為4、20、80 min時(shí)圍巖的應(yīng)力分布及變形情況，發(fā)現(xiàn)將空頂時(shí)間控制在20 min時(shí)，未支護(hù)產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度不會(huì)影響支護(hù)效果，得到三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)合理的空頂時(shí)間為20 min。

3）當(dāng)掘進(jìn)工作面空頂時(shí)間控制在20 min時(shí)，巷道頂?shù)装遄畲笠票M量為80 mm，兩幫最大移近量為100 mm，巷道斷面變化較小，臨時(shí)支護(hù)效果較好。