鄭宗儒 劉會(huì)會(huì) 劉軍峰

（1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司，寧夏 靈武 750410；2.陜西開(kāi)拓建筑科技有限公司，陜西 西安 710054）

隨著煤礦開(kāi)采深度加大，巷道圍巖條件復(fù)雜，礦山壓力顯現(xiàn)明顯，大埋深巷道支護(hù)難度加大[1-2]。針對(duì)深部巷道支護(hù)問(wèn)題，張杰[3]等通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比了不同支護(hù)方式的效果，得出“拱-梁”結(jié)構(gòu)模型能有效控制巷道圍巖變形。白文斌[4]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等手段分析出了埋深大、應(yīng)力高、圍巖強(qiáng)度低、節(jié)理裂隙發(fā)育是引起大埋深巷道變形破壞的主要原因。李蕾[5]等提出高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)能夠增強(qiáng)巷道表面圍巖初撐力，從而有效地防止頂板圍巖從固支梁結(jié)構(gòu)到鉸支梁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。段振榮[6]通過(guò)模擬對(duì)比不同方案得出，采用“錨桿索+卸壓孔”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)能夠有效控制大埋深特厚復(fù)合頂板回采巷道的圍巖變形。董抗抗[7]研究了大埋深與軟弱泥巖環(huán)境下的巷道，得出頂板“錨網(wǎng)索+U 型鋼棚+注漿”支護(hù)、底板“錨網(wǎng)帶+注漿錨索”加固可有效控制巷道變形，滿足正常生產(chǎn)需求。在他人的研究基礎(chǔ)上，以棗泉礦130203 工作面運(yùn)輸巷為工程背景，采用相似材料模擬分析現(xiàn)有支護(hù)方案的支護(hù)效果和不足，為類似條件巷道支護(hù)提供借鑒與參考。

1 概況

130203 工作面順槽巷道位于2 煤層，煤厚8.2～8.7 m，距煤層直接底板1.3 m 處含一層0.05 m左右?jiàn)A矸，距煤層直接底板3.9 m 處含一層0.2 m左右?jiàn)A矸，兩層夾矸均廣泛分布，厚度不穩(wěn)定。順槽巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬5300 mm、高3950 mm，采用“錨桿+網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)。頂部采用Ф21.98 mm×4300 mm（1×19 股）和Ф21.98 mm×8300 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)緊力為200 kN，間排距為800 mm×900 mm；幫部采用20#-M22-2000 號(hào)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，抗拉拔力50 kN，間排距為900 mm×900mm；頂部掛Ф6.5 mm 圓鋼焊接的鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)孔尺寸為100 mm×100 mm）。

2 相似材料選取及模型搭建

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次相似模擬采用西安科技大學(xué)礦井水害防治研究所MK-10T 型采礦工程物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置由模型主體、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾部分組成。最大模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=50 cm×20 cm×1000 cm。

2.2 計(jì)算參數(shù)

相似模擬實(shí)驗(yàn)采用物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工作面計(jì)算采用的煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 模型制作

按照實(shí)際工況將模型幾何相似比、運(yùn)動(dòng)相似比、動(dòng)力相似比和應(yīng)力相似比分別取為：41.7、6.46、1.38和57.5。模擬巷道掘出以后，根據(jù)相似比采用彈性模量最接近的鋁合金絲模擬錨索，鋁絲代替錨桿，圓形墊片代替托盤，模擬錨桿支護(hù)采用機(jī)械鉆孔，模擬錨固劑為質(zhì)量比1:1 的水膏漿，模擬鋼絲繩網(wǎng)為細(xì)鋼絲網(wǎng)。錨網(wǎng)索支護(hù)如圖1。

圖1 巷道支護(hù)模型圖（mm）

考慮邊界效應(yīng)，取巷道斷面高、寬3 倍作為巷道受力影響范圍，巷道埋深約600 m，最大主應(yīng)力19.51 MPa、傾角-7.3°、方位角151.6°，最小主應(yīng)力12.53 MPa、傾角-32.2°、方位角248.3°。結(jié)合實(shí)際情況，將地應(yīng)力轉(zhuǎn)換為垂直模型水平應(yīng)力4.6 MPa 和垂直應(yīng)力15.4 MPa。加載方式采用從零開(kāi)始的應(yīng)力加載方式，應(yīng)力加載量為0.1 kPa。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 圍巖整體位移變化分布特征

以下對(duì)不同加載步下位移變化情況進(jìn)行分析。圖2 為模型加載至311.1 kPa（1.23P）、478.7 kPa（1.79P）、562.4 kPa（2.10P）時(shí)的應(yīng)力云圖。

圖2 不同加載步下位移云圖

1）隨著頂板的逐級(jí)加載，巷道的整體位移量逐漸增加，兩幫受到幫錨桿的約束作用，整體向內(nèi)部收斂變形；巷道頂板整體略微下沉，豎直方向最大位移量發(fā)生在直接頂板，水平方向最大位移量發(fā)生在左幫部。由模型加載到311.1 kPa（1.23P）時(shí)的應(yīng)力云圖可以看出：巷道頂板豎直方向最大位移量由直接頂板向短錨索內(nèi)部轉(zhuǎn)移，由于幫部錨桿支護(hù)長(zhǎng)度2 m，幫部呈半圓弧形態(tài)，幫部支護(hù)仍然起到較好的作用。

2）通過(guò)模型頂部加載到478.7 kPa（1.79P）時(shí)的應(yīng)力云圖可以看出：底板巖梁由于沒(méi)有任何支護(hù)，將逐漸受拉破壞，直接底板2 mm 范圍內(nèi)巖梁逐漸斷裂，底板隆起變形向深部轉(zhuǎn)移；直接底板隆起量達(dá)到4.462 mm，巷道內(nèi)底板隆起量已達(dá)到14 mm；此時(shí)圖像上可以直觀看出巷道底板受到水平擠壓力作用迫使巷道底板發(fā)生隆起變形，底板處于滑移變形狀態(tài)。

3）通過(guò)加載到562.4 kPa（2.10P）時(shí)的應(yīng)力云圖可以看出：頂板沉降量達(dá)到25.762 mm，下沉較明顯，此時(shí)巷道頂板、直接頂板變形破壞向深部巖層轉(zhuǎn)移，頂板仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，頂板的雙錨索支護(hù)效果較好，巷道內(nèi)底板已發(fā)生嚴(yán)重的底鼓，變形量超過(guò)1 m；此時(shí)幫部收斂分別達(dá)到16.165 mm 和11.146 mm，幫部錨桿之所以沒(méi)有發(fā)生拉斷，就是因?yàn)殄^桿與幫部圍巖整體發(fā)生變形，較大地壓使得巷道底板不斷隆起破壞。

總體來(lái)看，巷道頂板采用雙錨索支護(hù)形式起到了很好支護(hù)作用，可以有效控制頂板的沉降，但由于幫部煤體強(qiáng)度并不高，錨桿支護(hù)范圍內(nèi)巖體整體向巷道內(nèi)部收斂變形，若想控制幫頂變形，唯有延長(zhǎng)錨桿的長(zhǎng)度或采用幫錨索支護(hù)方式，另外巷道底板底鼓主要受到較大的地壓作用使得幫兩側(cè)巖體擠壓底板向巷道空間內(nèi)擠壓導(dǎo)致。

3.2 圍巖垂直位移變化分布規(guī)律

圖3 為加載下的巷道圍巖垂直位移變化曲線圖，圖中以巷道底板中線作為坐標(biāo)零點(diǎn)，向上（右）為正、向下（左）為負(fù)。通過(guò)對(duì)距離巷道底板不同高度位置的垂直位移量變化情況進(jìn)行分析，可以得出：

圖3 不同加載力下巷道圍巖垂直位移變化分布規(guī)律圖

1）由圖3（a）可以看出，當(dāng)距離巷道底板208.3 mm，即距離巷道頂板113.5 mm（相當(dāng)于實(shí)際4.73 m）時(shí)，該范圍正好位于巷道頂板4.3 m 短錨索和8.3 m 長(zhǎng)錨索之間。該位置巖層變形呈現(xiàn)整體下沉趨勢(shì)明顯，巖層受到長(zhǎng)錨索張拉拖拽作用效果較好。

2）由圖3（b）可知，距巷道底板184.8 mm，即實(shí)際距離巷道頂板3.75 m 時(shí)，該范圍位于巷道頂板雙錨索支護(hù)范圍。相比208.3 mm 位置而言，頂板巖層有向巷道內(nèi)部變形的趨勢(shì)，整體變形可控，但頂板支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖與四周圍巖變形仍存在一定的過(guò)渡空間，表明巷道頂板變形沒(méi)有發(fā)生切落的趨勢(shì)，圍巖受到頂板較大的壓力作用，雙錨索對(duì)于頂板變形起到較好控制作用，可與周邊圍巖協(xié)同變形。

3）從圖3（c）可知，當(dāng)距離巷道底板137.9 mm，即實(shí)際距離巷道頂板1.77 m 時(shí)，曲線隨加載出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。這可能使巷道頂板會(huì)出現(xiàn)“網(wǎng)兜”現(xiàn)象，巷道頂板下沉且向巷道內(nèi)部變形，受到頂板錨索托盤和鎖具支護(hù)作用，頂板發(fā)生冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)較小，但需要對(duì)錨索的受力變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止冒頂事故發(fā)生。

4）由圖3（d）可知，當(dāng)距離巷道底板114.4 mm，隨著加載的不斷進(jìn)行，巷道幫部曲線由平滑曲線逐漸轉(zhuǎn)向折線。折斷位置位于巷道幫部49.4 mm，而幫錨桿支護(hù)長(zhǎng)度為47.9 mm，這表明對(duì)于四周無(wú)開(kāi)采的正常地壓而言，巷道幫部2.0 m 錨桿長(zhǎng)度是可以起到較好支護(hù)作用的。隨著加載步的加載，曲線開(kāi)始出現(xiàn)折線拐點(diǎn)，此時(shí)相當(dāng)于正常地壓的1.23倍。隨著加載的進(jìn)行，幫部破壞右錨桿錨固段向深部巖層轉(zhuǎn)移，幫部折斷延伸至距幫71.4 mm 位置，相當(dāng)于實(shí)際2.97 m。此時(shí)地壓相當(dāng)于正常地壓的2.1倍，即周邊開(kāi)采擾動(dòng)下礦山壓力增加至2.1 倍時(shí)，幫部錨桿有效錨固長(zhǎng)度至少要達(dá)到3.0 m 方可較好地控制幫部收斂變形。此時(shí)可改用3.5 m 的幫錨索進(jìn)行加固。

5）由圖3（e）和圖3（f）可知，在距離巷道底板-26.4 mm（相當(dāng)于實(shí)際深度1.1 m）處，底板巖層仍發(fā)生了較大的底鼓變形，而距離巷道底板49.9 mm（相當(dāng)于實(shí)際2.08 m），這種變形逐漸減小，意味著底板滑移破壞已延伸至距巷道底板2 m 深的位置。若采用底板反錨桿（索）加固底板，加固深度至少在2.5 m 方可奏效。

3.3 圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育規(guī)律

加載下的巷道圍巖塑性破壞如圖4。隨著模型頂板加載壓力的逐級(jí)加大，圍巖頂板發(fā)生拉壓破壞，圍巖兩幫及下方受垂直應(yīng)力影響發(fā)生剪切破壞，形成一定范圍破壞帶，底板形成滑移破壞趨勢(shì)。巷道圍巖從巷道頂角開(kāi)始發(fā)生，逐漸向巷道兩幫發(fā)生轉(zhuǎn)移。

圖4 加載下巷道圍巖塑性破壞區(qū)演化規(guī)律

1）由圖可以看出當(dāng)模型頂板從0 kPa 加載至311.1 kPa 時(shí)，Von Mises Strain 值先從巷道頂角開(kāi)始發(fā)生，由于幫錨桿的作用變形破壞主要沿著錨桿錨固段邊緣開(kāi)始。此時(shí)巷道底腳兩側(cè)也開(kāi)始出現(xiàn)滑移破壞趨勢(shì)，但巷道總體變形不明顯。

2）當(dāng)模型頂板加載至382.9 kPa 時(shí)，此時(shí)巷道頂角和兩幫Von Mises Strain 值不斷增大，巷道頂板逐漸下沉、幫部收斂，而底板也開(kāi)始出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的宏觀底鼓現(xiàn)象。從圖像上可見(jiàn)，底板出現(xiàn)滑動(dòng)面越發(fā)明顯。

3）當(dāng)模型頂部加載到418.8 kPa 時(shí)，巷道頂板除了發(fā)生下沉外，兩側(cè)出現(xiàn)拉剪破壞，而巷道頂部并沒(méi)有明顯的破壞趨勢(shì)。這主要還是受雙錨索支護(hù)作用的影響，此時(shí)巷道兩幫進(jìn)一步發(fā)生剪切破壞，破壞深度雖未加深，但巷道兩幫已出現(xiàn)明顯的圓弧狀剪切破壞面，破壞主要沿圓弧面滑動(dòng)，且巷道圍巖下幫兩腳底也有明顯的剪切破壞持續(xù)發(fā)生，并迫使巷道直接底板泥巖層向巷道內(nèi)隆起。

4）當(dāng)模型頂板加載至562.4 kPa 時(shí)，圍巖頂板破壞形式與前面加載相比并未出現(xiàn)明顯變化，僅頂板下沉量隨加載步進(jìn)行不斷增加。而對(duì)于巷道兩側(cè)圍巖而言，加載步的增加使得幫部向巷道內(nèi)部收斂加劇，幫部圍巖并未有明顯的向兩側(cè)巖體加深的趨勢(shì)，底板巖體破壞也主要是沿滑動(dòng)面滑動(dòng)。

總體來(lái)看，在巷道頂板雙錨索的支護(hù)作用下，頂板巖體內(nèi)并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的破壞，而頂板破壞主要發(fā)生在巷道兩側(cè)頂角，這與圖3 中出現(xiàn)曲線折線相對(duì)應(yīng)。建議巷道頂板短錨索施工除中間兩根外，均與水平方向呈75°。巷道幫部變形主要發(fā)生在錨桿錨固段，說(shuō)明在地壓增加至正常地壓2.1 倍期間，巷道圍巖幫錨桿長(zhǎng)度較短，不足以約束幫部圓弧滑動(dòng)面，建議將幫2.0 m 長(zhǎng)的錨桿換成3.5 m 錨索。另外，隨著加載步的增加，底板巖體受到兩幫壓力作用逐漸出現(xiàn)滑動(dòng)破壞，破壞深度延伸至底板下2 m 深度。對(duì)于短期使用的回采巷道而言，起底是不可避免的，若是采區(qū)、盤區(qū)大巷，可對(duì)底板進(jìn)行加固，采用加固錨桿（索）長(zhǎng)度不小于2.5 m，從而增強(qiáng)圍巖體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）隨著模型不斷加載，巷道的最大垂直位移主要集中在直接頂板，最大水平位移發(fā)生在左幫。

2）雙錨索對(duì)于頂板變形有較好控制作用，可與周邊圍巖協(xié)同變形；幫部錨桿加固需進(jìn)一步優(yōu)化。

3）底板巖層距離巷道1.1 m 處發(fā)生較大底鼓變形，超過(guò)2.0 m 后變形逐漸減小，因此底板加固深度至少在2.5 m 方可奏效。