不同水平应力对U钢支架支护巷道稳定性影响的研究

张 盛，张易飞，王云龙

(1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454001；2.山西焦煤霍州煤电汾河公司回坡底矿，山西 临汾 041600)

构造应力是由于地壳运动在岩体中引起的应力。其主要特点是以水平应力为主，具有明显的区域性和方向性，它是影响巷道围岩稳定的重要因素之一[1]。当水平应力较高时，巷道顶板冒落、底板底鼓以及两帮内挤等灾害时有发生，有时会严重影响生产安全[2-3]。因此掌握在构造应力场中受采动影响巷道的矿压显现规律对研究和改善巷道的稳定性有着重要的意义[4-5]。

鹤煤公司二矿的347工作面属于煤柱工作面，所开采煤层为二叠系山西组下部的二1煤层，属于复杂结构煤层。尽管347工作面顺槽埋深约500m，但煤柱工作面受到较高的集中应力，再加上附近经常出现的断层和采用沿空掘巷，巷道不同地段受到较高的水平应力的作用，所采用的U36型钢支架有不同程度的屈服变形，巷道的正常使用受到影响。

鉴于此，为了更好地掌握不同水平应力对巷道的影响，完善支护设计，本文基于鹤煤公司二矿347煤柱工作面顺槽的地质条件，运用Flac3D模拟软件，对不同侧应力影响下U36型钢支护状态下巷道周围的塑性区分布及其位移量变化进行了研究。

1 FLAC3D模型的建立及其参数的选取

347煤柱工作面煤层顶、底板组合层序是明显接触关系。老顶砂岩为浅灰色中～粗粒以石英、长石为主，次为暗色矿物，钙质胶结，层面含碳质及白云母片，厚度8.5m；直接顶为深灰色砂质泥岩，植物化石发育，厚度2m；伪顶不发育，黑色碳质泥岩，厚度0.2m。煤层直接底为灰黑色砂质泥岩，植物根部化石发育，厚度1.5m；老底为灰色砂岩，中～厚层状、中～粗粒、钙质胶结以石英、长石为主，含白云母具有碳质层面水平层理，厚度31.5m。

根据鹤煤公司二矿的347工作面顺槽的具体条件，该模型宽70m，高70m，巷道位于模型中央，模型下边界设为固定约束，上边界自由，作用垂直应力σy=∑γiHi=8.4MPa；左边界约束；右边界自由，作用水平应力σx=λσy(λ为侧压系数)。岩体的弹塑性分析采用Mohr-Coulomb屈服准则。U型钢可缩性支架由二节点梁单元模拟，支架搭接部分采用等效材料方法处理。底边为固定约束， 水平方向在一面上进行位移约束，模型沿轴向即z向没有位移，即x、y和z三个方向上均无位移。模拟所采用的岩体力学参数经过对应的岩石进行室内试验并进行折减，如表1所示。

表1 二1煤及顶底板岩石力学性质

2 水平应力对巷道塑性区范围的影响

当侧压力系数λ为1～2时，347工作面上顺槽围岩塑性区分布特性如图1所示。

图1 不同侧压力系数下巷道塑性区分布

从图1可以看出，当λ=1时，塑性区的单元格数为86。当λ=1.2时，塑性区的单元格数为96，顶板，底板和两帮都有若干单元格数增加。当λ=1.4时，塑性区的单元格数为110，相对于λ=1时来说，底板单元格数增加较多。当λ=1.6时，塑性区单元格数为126，顶板和底板塑性区单元格数明显增加。当λ=1.8时，塑性区单元格数为138，塑性区两帮上顶板向上延伸明显。当λ=2时，塑性区单元格数为170，此时塑性区范围已明显增加，尤其是顶板的两个肩部和底板，两帮相对较弱。当侧压力系数λ=1时，此时巷道的塑性区分布相对较均匀，底板塑性区分布较深。随着侧压力系数以0.2的增量往上增加，U36钢支护巷道的顶板和底板的塑性区分布较大，当侧压力系数增至2时，巷道的塑性区范围已从原来的椭圆形发展成为无规则的发散形。

3 水平应力对巷道位移分布的影响

当侧压力系数λ为1～2时，347工作面上顺槽围岩位移分布如图2所示。

从图2可以看出，当λ=1时，巷道的最大位移为24mm；当λ=1.2时，巷道的最大位移为28mm；当λ=1.4时，巷道的最大位移为36mm；当λ=1.6时，巷道的最大位移为40mm；当λ=1.8时，巷道的最大位移为50mm；当λ=2时，巷道的最大位移为55mm。从整体上来讲，在所采用的岩体参数模拟情况下，U36型钢对侧压力系数在2以下的情况下对巷道的控制效果是较为理想的，但是最大位移值随着水平应力的增大发生了1.0～2.3倍的增加，巷道顶板和底板比两帮的变形更为严重，两帮的变形较小，而顶板，尤其是巷道的肩部变形较为严重，底臌量增加的特别明显。数值模拟时，假设U钢支架与巷道表面围岩紧密接触，支架均匀受力，实际上，在现场支护过程中，U钢支架与围岩存在很多空隙，这使得支架的受力不均衡，容易引起支架局部受力而发生塑性破坏。所以，随着水平应力的增加，支架局部应力集中的程度会更高，极容易引起支架局部失稳而破坏。如果在构造附近岩体破碎导致围岩强度下降，在水平应力不断增加的作用下，巷道的变形会非常剧烈，在这样的情况下必须采取相应的加强支护措施，对巷道的肩部和柱腿进行增强支护，对于严重底臌巷道要进行底板支护。

图2 不同侧压力作用下的巷道总位移变化图

4 现场应用效果分析

运用Flac3D模拟软件，对鹤煤公司二矿347煤柱工作面顺槽在不同水平应力影响下，U36型钢支护状态下巷道周围的塑性区分布及其位移量变化的进行了研究，结果表明，随着侧压力系数的增加，巷道的塑性区和总位移在不断增加。但是相对而言，U36型钢对巷道两帮的控制效果更好，随着水平应力的增加，巷道顶板和底板比两帮的变形更为严重，尤其是巷道的肩部变形较为严重，底臌量增加的特别明显。

当在构造附近，或者沿采空区沿空掘巷时，此时岩体破碎，且水平构造应力较大，单纯U36型钢支护难以保证巷道的稳定，必须采取加强支护措施，根据分析重点是针对U型钢的肩部和底板进行加强支护，当在高水平应力的影响下，要对底板进行治理，采用封闭式支架或底板注浆等措施。

由于347煤柱工作面顺槽服务周期短，不适宜于进行底板注浆或封底支护。因此，针对该工作面的高水平应力条件，采用结构增强型U型钢支护方式，支护的具体参数如图3所示，结果表明，当采用U36结构增强型支架支护两个月后，巷道顶底板和两帮的最大位移量控制在了200mm以内，巷道表面的最大变形速率控制在了9mm/d以内，有效地控制了巷道的变形。

图3 支护参数设计

5 结语

U型钢支护是一种被动式支护方式， 随着水平

应力的增加，巷道两帮的变形相对较小，巷道顶板和底板比两帮的变形更为严重。在高水平应力条件下，必须采取加强支护措施，尤其要对U型钢支护的肩部和底板进行加强支护，如果在服务周期较长的高水平应力应力巷道，还必须采用封闭式支架或锚网索、底板注浆等措施要对底板进行治理。

[1] 钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2003．

[2] 勾攀峰，张振普，韦四江．不同水平应力作用下巷道围岩破坏特征的物理模拟试验[J]．煤炭学报，2009， 3(10)：1328-1332．

[3] 勾攀峰，韦四江，张盛．不同水平应力对巷道稳定性的模拟研究[J]．采矿与安全工程学报，2010，27(2)：143-148．

[4] 张哲，唐春安，于庆磊，等.侧压系数对圆孔周边松动区破影响的数值试验研究[J]．岩土力学，2009，30(2)：413-418.

[5] 单晓云，梅海斌，徐东强，等.在构造应力场中采动对底板运输巷道稳定性的影响[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(12)：2101-2106．