全煤巷棚架支护拆卸长度及开挖顺序理论分析

孙建文

(阳煤集团二矿，山西 阳泉 045000)

煤炭是我国的主要能源，在我国的一次性能源结构中煤炭所占的比重一直在70%以上，随着我国国民经济的飞速发展，煤炭需求日益旺盛，要求煤炭工业维持较高的产出，而煤矿生产系统设施及技术升级改造成为其提高产能主要措施之一。全煤巷道在经历了掘进、工作面采动、二次开挖施工的剧烈影响，巷道煤层变得较为松散、破碎，围岩的物理力学性质趋于恶化［1］。

在全煤巷道棚架支护拆卸及开挖施工前，需要正确认识巷道围岩的结构、产状、构造、物理力学性质等影响施工方案确定的因素，以便建立合理的力学模型［2］。本文系统地分析了全煤巷道施工全过程的围岩应力分布、变化特征及巷道变形破坏机理，为全煤巷道棚架支护拆卸长度及开挖顺序的确定提供理论指导。

1 棚架支护拆卸长度的理论分析

根据工程项目巷道顶板围岩地质条件，确定棚架支护拆卸的理论长度，首先全煤巷道顶板最下部的煤层不发生塌落视为巷道稳定与否的重要标准。故当巷道跨度恒定不变，拆卸棚架支护长度取决于顶板下方处于悬露状态的煤层最大稳定长度。

1)从弹性力学的角度出发，拆除支护后处于悬空状态的煤层，可以看作四角固定的矩形薄，假设巷道的跨度为a，棚架支护拆卸长度为b，顶板煤层厚度为h，则拆卸长度计算力学模型如图1所示。

图1 棚架拆卸长度计算模型示意图

2)巷道顶板稳定性条件。

根据弹性力学薄板弯曲相关理论，在均布载荷q作用下，薄板内力分布如下所示:

由弹性力学薄板结构特征可知，薄板一般为双向板，两个较长边界承受的载荷大于两个短边界承受的载荷，且薄板在中心横截面拉应力及弯矩最大。故薄板两个长边界破坏与否决定薄板破坏与否。则z=－h/2的应力分布如下所示:

由全煤巷道顶板变形破坏机理可知，拉应力在顶板破坏断裂中起主导作用，所以，拉应力σx对作用边界破坏起决定作用，由y=b/2及上述计算公式得，在(0，y，－h/2)及(a，y，－h/2)的最大拉应力为:

3)计算求解。

经顶板钻孔窥视可知，在顶板0.5 m顶煤上还有近1 m的煤层，则顶煤受到的载荷q为:

将 a=2.6 m，π =3.14，σt=0.85 MPa，h=0.5 m及载荷q代入拆卸长度理论计算公式中可得:

得出:b=2.6 m

综上所示，棚架支护拆卸的理论长度确定在2.6 m，此时理论计算假定认为两帮煤层给予顶板充分的支撑，因此，全煤巷道棚架支护拆卸需要考虑具体施工地段的地质条件以确定合理的拆卸长度。

2 数值计算模型

通过非线性、大变形计算软件FLAC3D动态地分析不同开挖顺序造成的全煤巷道围岩应力场分布变化特征，确定最优的开挖顺序。

数值计算模型高28 m、宽50 m巷道走向长度8 m，采用理想弹塑性模型本构关系，选用Mohr－Coulomb屈服准则判断岩体的破坏［3－5］。模型除上边界外的5个边界面的法向位移固定，模型上边界施加均布压力，大小为3.75 MPa，并且施加重力场。数值计算模型示意图见图2，岩层厚度及力学参数见表1。

图2 数值计算模型示意图

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数表

3 结果分析

施工方法1，即第一步开挖两帮煤层，第二步开挖顶板煤层。施工方法2，即第一步开挖顶板煤层，第二步开挖两帮煤层。通过建立模型计算及分析两种施工方法，第一步开挖后造成的围岩铅垂应力、水平应力分布及变化特征、塑性区分布范围如图3～8所示:

图3 工法1第一步后铅垂应力等值线图

根据最大水平应力理论可知，全煤巷道围岩水平应力有时大于铅垂应力，此种情况下全煤巷道顶板、底板的稳定性主要取决于水平应力的影响，两帮的稳定性主要取决于铅垂应力的影响，而且水平应力具有明显的方向性。

从图3，4，5，6可知，两种施工方法第一步开挖完成后，全煤巷道围岩铅垂应力、水平应力分布特征。施工方法1造成顶板、两帮的铅垂应力变化特征，即开挖两帮煤层增大了巷道的跨度，铅垂应力在巷道两帮形成新的应力集中，开挖施工对两帮围岩应力场的扰动并不明显。

施工方法2造成顶板、两帮的铅垂应力变化特征，即开挖顶板煤层，无形中增大了两帮高度，而且开挖顶板煤层对两帮煤层的应力场扰动相当明显，而新增的两帮煤层围岩应力场的扰动没有原有两帮煤层扰动明显。

施工方法1对顶、底板围岩水平应力场的扰动要弱于施工方法2的影响。

从图7，8可知，两种施工方法第一步开挖完成后，全煤巷道围岩塑性破坏区分布特征。运用FLAC3D的fish语言编程计算塑性破坏区体积，量化评价两种施工方法第一步开挖施工的优劣。由于施工方法1的塑性破坏区体积约为4.89 m3，施工方法2的塑性变形破坏区体积约为6.63 m3，所以，确定为施工方法1的第一步开挖对全煤巷道围岩应力场的扰动较小。

对比施工方法1及施工方法2的第二步开挖施工就会发现，第二步开挖施工跟第一步开挖施工完全相反，施工方法1要开挖顶板煤层，施工方法2要开挖两帮煤层。这时顶板跨度、两帮的高度都已增大了，再继续开挖对全煤巷道围岩应力场的扰动就可能超过施工方法第一步开挖施工。

4 结论

1)由于煤体的抗剪强度较低，巷道顶板煤层在水平应力作用下，易剪切破坏，从而造成煤体松散扩容，降低煤层间的黏结力，开挖施工时进一步影响煤层的稳定性，严重时顶板煤层离层、岩层弯曲变形乃至冒落。

2)运用弹性力学薄板弯曲理论，建立力学模型，分析并计算拆卸棚架支护合理长度确定在2 m，采取边拆、边开挖、边支护的施工方法较为符合工程进度与安全的要求。

3)确定第一步开挖顶板煤层，第二步开挖两帮煤层为最优的全煤巷道开挖工序。

［1］杨双锁.回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理［M］.北京:煤炭工业出版社，2004:153－155.

［2］何 涛.全煤巷道断面刷大开挖顺序及支护方案研究［D］.太原:太原理工大学硕士学位论文，2012.

［3］梅志千，周建方，章海远.莫尔－库伦理论的修正及应用［J］.上海交通大学学报，2002(3):441－444.

［4］刘善均，王 韦，许唯临.莫尔圆求解c、φ值的最佳拟合［J］.四川大学学报(工程科学版)，2002(6):40－42.

［5］王建锋，李智毅，张欣海.岩体结构面强度的Mohr－Coulomb破坏判据与Barton破坏判据的试验对比［J］.地球科学－中国地质大学学报，1993(4):526－528.