劉玉衛(wèi),商鐵林,張 沛,張亞峰,龔 劍,劉應(yīng)然

(1.鄭州工程技術(shù)學(xué)院, 河南 鄭州 450044；2.鄭煤集團(tuán)工程技術(shù)研究院, 河南 鄭州 450042；3.榆林學(xué)院, 陜西 榆林 719000；4.西安科技大學(xué), 陜西 西安 710054)

“三軟”煤層巷道的支護(hù)問(wèn)題一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)一大技術(shù)難題，由于其圍巖條件差，支護(hù)不當(dāng)，易造成巷道失穩(wěn)破壞。過(guò)去對(duì)軟巖巷道頂板圍巖的研究較多，如最初的普氏壓力拱假說(shuō)(1907)和太基公式(1942)、卡斯特納公式(1948)[1]，后來(lái)考慮支護(hù)體與圍巖作用關(guān)系的錨桿支護(hù)方式——“組合梁、加固拱”等理論[2]，以及近年來(lái)的圍巖松動(dòng)圈理論[3-4]、關(guān)鍵圈理論[5]等，這些理論主要從頂板的破壞為出發(fā)點(diǎn)加以研究，而從底板研究”三軟”煤層巷道的理論相對(duì)較少。最早研究巷道底鼓的是前蘇聯(lián)的秦巴列維奇N·M[5]，認(rèn)為巷道底鼓可看作是兩個(gè)壓模傳遞給松散體的底板上的荷載作用下壓出的現(xiàn)象；德國(guó)的奧頓哥特M[6]則認(rèn)為，巷道兩幫巖體在垂直應(yīng)力的作用下被壓裂，巷道頂?shù)装逶谒綉?yīng)力的作用下向巷道內(nèi)鼓出；曲永新[7]等人認(rèn)為巷道底鼓的本質(zhì)是底板泥巖的遇水膨脹；康紅普[8]認(rèn)為巷道底鼓的原因在于失穩(wěn)的底板巖層向巷道內(nèi)的壓曲，偏應(yīng)力作用下的擴(kuò)容以及巖石遇水膨脹；賀永年、何亞男[9]認(rèn)為底鼓是由于巷道兩幫巖柱傳遞頂板壓力，兩幫圍巖在擠壓底板的同時(shí)一起下沉，底板在嚴(yán)重?cái)D壓變形的情況下發(fā)生斷裂,然后底板隆起。本文綜合國(guó)內(nèi)外以往對(duì)底鼓機(jī)理的研究成果，在不考慮遇水膨脹的情況下，且將”三軟”煤層巷道圍巖看作抗拉、抗彎、抗剪能力都極其微弱的理想松散體加以研究。

1 底板破壞深度計(jì)算

不考慮遇水膨脹情況下，巷道在開(kāi)挖后底板巖層局部應(yīng)力得到卸載，其它應(yīng)力則主要通過(guò)巷道兩側(cè)幫巖體向下進(jìn)行傳遞，假設(shè)巷道底板兩側(cè)幫內(nèi)受重力均布荷載q=γH的作用(理想狀態(tài)下左右均布對(duì)稱(chēng))，按照朗肯土壓力理論，底板巖體在均布荷載q的作用下，MFD區(qū)巖體會(huì)處于主動(dòng)塑性應(yīng)力狀態(tài)，而MOD區(qū)巖體則處于被動(dòng)塑性應(yīng)力狀態(tài)，這樣會(huì)產(chǎn)生向上的底板圍巖擠壓應(yīng)力T，當(dāng)擠壓應(yīng)力超過(guò)底板巖體的屈服強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致OD面破壞，底板就會(huì)產(chǎn)生向巷道內(nèi)的塑性變形，向上隆起或者擠壓流入到巷道內(nèi)造成底鼓，受力模型[10-12]如圖1所示。

圖1 巷道右側(cè)底板受力分析

當(dāng)巷道巖體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，主動(dòng)塑性應(yīng)力區(qū)MDF的滑動(dòng)面MF與水平線的夾角為45°+φ/2，被動(dòng)塑性應(yīng)力區(qū)域MDO的滑動(dòng)面MO與水平線的夾為45°-φ/2。假定MD為理想中的分界面，根據(jù)朗肯土壓力理論[12]，則MD分界面上各點(diǎn)上所受的主動(dòng)應(yīng)力和被動(dòng)應(yīng)力分別為：

在M點(diǎn)以上的MD范圍內(nèi)，因?yàn)棣襛>σp，底板巖體處于塑性應(yīng)力狀態(tài)；在M點(diǎn)以下，σa<σp，底板巖體處于彈性應(yīng)力狀態(tài)；在M點(diǎn)處，σa=σp，底板巖體處于極限平衡狀態(tài)。在M點(diǎn)極限平衡狀態(tài)時(shí)，可求得巷道底板極限破壞深度y，即，當(dāng)σa=σp時(shí)，有γ·yKp=(q+γ·y)Ka，整理得：

2 巷道底板底鼓量公式推導(dǎo)

由上式可知[10-12]，在底板下部y以上的巖體將有可能發(fā)生向上鼓起，而y以下的巖體將不會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)。當(dāng)極限平衡狀態(tài)被打破以后，MDF區(qū)域的巖體處于主動(dòng)滑移壓力狀態(tài)，而MOD區(qū)域的巖體處于被動(dòng)受壓應(yīng)力狀態(tài)，MD上所受的主動(dòng)壓力P1和被動(dòng)壓力P2的差值，就是推動(dòng)MOD區(qū)域巖體向左滑動(dòng)的實(shí)際推力Δp，則有：

Δp=p1-p2

則沿滑動(dòng)面MO的有效滑移力T1為：

T1=T-Ntanφ

當(dāng)T1>[T]時(shí)，其中[T]為巖體的最大抗剪強(qiáng)度，底板巖體發(fā)生底鼓破壞。

圖2 巷道底板綜合受力分析

巷道底板兩側(cè)滑動(dòng)面以上的有效滑動(dòng)力分別為T(mén)、T＇，它們的合力為巷道的底壓力P＇，T、T＇在x和y軸上的分力分別是px和py；

則底壓力p＇為：

3 實(shí)例及應(yīng)用

以鄭煤集團(tuán)公司告成煤礦21051工作面回采巷道為例，求巷道底板破壞范圍及底鼓量，21051工作面下副巷平均埋深約460 m。主采二1煤層，厚度4.2 m，傾角約10°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層直接頂中下部為細(xì)粒砂巖，老頂為中細(xì)粒長(zhǎng)石、石英砂巖，厚7 m左右；底板為砂質(zhì)泥巖，厚5.1 m。21051工作面下副巷斷面為直墻半圓拱型，斷面寬5 000 mm，高4 300 mm，凈斷面約13.0 m2。

3.1 錨網(wǎng)支護(hù)基本參數(shù)

原巖應(yīng)力：q=γh=0.023×460=10.6 MPa。

煤層：抗壓強(qiáng)度σc=2.6 MPa，抗拉強(qiáng)度σt= 0.31 MPa。

綜合頂?shù)装逍再|(zhì)：抗壓強(qiáng)度σc=105 MPa，抗拉強(qiáng)度σt=6.8 MPa。

巷道：巷幫高度hw=1.8 m，寬度W0=5.0 m。

3.2 巷道頂板破壞高度確定

借助西安科技大學(xué)黃慶享教授的極限平衡拱公式[13-14]，求巷道頂板的破壞深度。

平衡拱：

極限平衡拱：

3.3 巷道底板破壞深度計(jì)算

γ取2 600 kg/m3；均布荷載q取q=10.6 MPa；巖體的單軸抗壓強(qiáng)度σc為105 MPa；φ經(jīng)計(jì)算取為84.6°；主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka經(jīng)過(guò)計(jì)算為0.2；被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp經(jīng)過(guò)計(jì)算為0.67。

則巷道底板計(jì)算的最大破壞深度為：

計(jì)算巷道的底鼓μ的公式為：

由于p＇是T和T＇的合力，求解p＇得：

在y=y＇時(shí)，求得

=2×107kN；

3.4 確定錨桿長(zhǎng)度和間排距

根據(jù)自穩(wěn)平衡拱高度為2.5 m，極限狀態(tài)平衡拱為3.0 m，因此可設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度為2.8 m。按照錨桿支護(hù)的組合拱理論，在軟巖條件下設(shè)計(jì)形成組合拱厚度為2.0 m。

則錨桿間排距a取值為：a=l-b-c=2.8-2.0-0.1=0.7 m。

式中：l為錨桿長(zhǎng)度；b為組合拱厚度；c為錨尾外露長(zhǎng)度。

因此，確定錨桿長(zhǎng)度為2 800 mm，錨桿間距和排距均為700 mm。

根據(jù)底板破壞公式的計(jì)算，確定底板加強(qiáng)錨桿的長(zhǎng)度為2 000 mm。

3.5 錨網(wǎng)支護(hù)布置方案

巷道斷面支護(hù)方案見(jiàn)圖3。

圖3 巷道斷面支護(hù)方案

3.6 圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

采用YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀，對(duì)告成煤礦21051工作面回采巷道圍巖進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試。在21051工作面回采共布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖4 松動(dòng)圈測(cè)點(diǎn)布置位置

從測(cè)點(diǎn)1(見(jiàn)圖5)測(cè)試結(jié)果可以看出，煤體的最高聲速為2 139 m/s，而最低聲速為947 m/s波速隨孔深均有逐漸增大的趨勢(shì)，在距孔口1.6 m左右范圍內(nèi)波速較小，距孔口距離大于1.6 m的區(qū)域波速較大，并且波速基本相對(duì)恒定在1 720 m/s左右。分析得出，距離孔口大于1.6 m的區(qū)域煤體較完整，沒(méi)有受到擾動(dòng)，而小于1.6 m的區(qū)域裂隙較發(fā)育，所以由圖5初步確定煤幫的松動(dòng)范圍為1.6 m左右。

圖5 測(cè)點(diǎn)1聲波傳播速度趨勢(shì)

從測(cè)點(diǎn)2(見(jiàn)圖6)測(cè)試結(jié)果可以看出，煤體的最高聲速為1 984 m/s，而最低聲速為956 m/s波速隨孔深均有逐漸增大的趨勢(shì)，在距孔口1.4 m左右范圍內(nèi)波速較小，距孔口距離大于1.4 m的區(qū)域波速較大，并且波速基本相對(duì)恒定在1 350 m/s左右。分析得出，距離孔口大于1.4 m的區(qū)域煤體較完整，沒(méi)有受到擾動(dòng)，而小于1.4 m的區(qū)域裂隙較發(fā)育，所以由圖6可以初步確定煤幫的松動(dòng)范圍為1.4 m左右。素描圖見(jiàn)圖7。

圖6 測(cè)點(diǎn)2聲波傳播速度趨勢(shì)

圖7 松動(dòng)圈測(cè)試素描

由松動(dòng)圈測(cè)試得到底板的破壞在1.6 m左右，結(jié)合理論分析計(jì)算可知，底板破壞深度基本一致。

3.7 支護(hù)效果檢驗(yàn)

按照3.5節(jié)是錨網(wǎng)布置方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)測(cè)。在相鄰的21051上副巷設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下。

通過(guò)巷道底板治理前后監(jiān)測(cè)曲線表明(圖8)，采用設(shè)計(jì)優(yōu)化方案后，巷道底鼓量明顯降低，底板穩(wěn)定得到了較好的控制。

圖8 底鼓變形量曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)巷道底板破壞力學(xué)模型分析得到，底板的破壞深度隨有效滑移力的增大而增大，當(dāng)破壞深度達(dá)到一定值后會(huì)引起幫的失穩(wěn)。

2) 當(dāng)擠壓應(yīng)力超過(guò)底板巖體的屈服強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致巷道底板破壞，底板就會(huì)產(chǎn)生向巷道內(nèi)變形，向上隆起或者擠壓流入到巷道內(nèi)造成底鼓。

3) 通過(guò)松動(dòng)圈測(cè)試及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算作對(duì)比可知，實(shí)際底板破壞深度在1.6 m左右，發(fā)生的底鼓量在250 mm左右，這與理論計(jì)算值較為接近。

4) 基于理論計(jì)算的新方案設(shè)計(jì)能夠有效的控制巷道底板的變形破壞，有利于控制巷道圍巖穩(wěn)定，為“三軟”煤層巷道支護(hù)提供了新方案。