掘进工作面空顶区顶板围岩结构稳定性及关键影响因素分析

孟维波

（山西宏厦第一建设有限责任公司， 山西 阳泉 045008）

引言

煤矿巷道的快速掘进是保证煤矿生产接替的重要支撑，在掘进过程中遇到各种各样的问题，王琳琳通过加固顶板理论和注浆加工工艺处理顶板破碎问题，实际应用中有良好的表现[1], 张建武在顶板、底板以及煤层复杂力学理论的基础上，制定了有效的坚硬顶板控制方案，并得到了实验验证[2],杨仁树、马长乐等在先进掘进设备和掘进理论的基础上，在实际掘进巷道的过程中找到了影响巷道快速掘进的因素，在支护方案的指导下实现了巷道的快速掘进[3-4]。本文从掘进巷道的空顶区切入，分析了影响其变形和位移的因素，为矿井掘进巷道处理空顶区围岩结构提供了理论参考。

1“C+”结构与空顶区顶板关系分析

随着巷道的掘进，根据巷道围岩的受力状况以及支护状态可将掘进区域划分为掘进迎头区、空顶区以及支护区，如图1所示。掘进迎头区因为形状类似C形，又叫迎头C形区，迎头C形结构由周围以及两帮岩体组成，支护区是巷道已经支护的区域，空顶区为迎头C形区与支护区之间的部分，空顶区因为未进行任何支护，因此存在顶板垮落以及片帮的问题。掘进迎头区的C形结构以及支护区的锚杆锚索支护共同支撑起了空顶区，维持空顶区的稳定性，将此结构称为“C+”结构。如果支护区未进行及时支护，只有掘进迎头区支撑巷道，小范围的支撑作用并不能很好地保证空顶区的稳定，因此，在支护区与掘进迎头区共同作用下，空顶区的顶板才能安全。

未开挖的巷道受到三向围压状态处于稳定状态，巷道开挖后，三向围岩状态遭到破坏，在二向应力的状态下，岩石的整体性遭到破坏，强度也随之降低，当岩石强度不足以承载上覆岩层重力时，受力破坏后的岩石强度进入残余强度，此时，岩石承载的应力值一部分以变形释放的方式表现出来，一部分以承载岩体体现，固有以下三种应力耦合状况：

图1 巷道掘进期间各区域垂直应力（MPa）等值线图

1）围岩表面破碎现象严重时，导致对围岩的空间约束力不同，宏观表现为巷道径向受力不均，造成变形的趋向性；

2）表面围岩的大面积破碎使裂隙不断发育，导致围岩应力状态处于稳定与失稳状态之间，在应力的作用下，裂隙不断扩展，导致岩体的承载能力降低；

3）围岩表面岩石破碎后，浅部围岩起到支撑岩体的作用，长时间的应力作用下，浅部岩体承载能力得到增强。

三种应力强度耦合状况下浅部围岩的承载能力最终都进入到峰后状态，浅部围岩受到表面破碎围岩的作用，处于伪三向围岩状态，峰后强度高于处于单轴加载状态下的岩石残余强度。浅部围岩的变形破坏使其具有一定的承载能力，随着承载能力的转移，深部岩体固定位置处会出现承载能力和应力值相等的情况，深部围岩处于弹塑性破坏区域，因此应力值不断调整减弱与原始应力值相等。

利用FLAC3D数值模拟软件进行数值模拟，模拟共设有120 357个单元，巷道尺寸长为5 m，宽为3.6 m，巷道的基本顶、伪顶、直接顶的岩性分别为泥岩、砂岩和粉砂岩，厚度分别为4 m、6 m、5 m。模拟得到图2所示的掘进巷道不同断面径向垂直应力分布图，从图中可以看出，支护区巷道的垂直应力最大，其次是空顶区垂直应力，最后是迎头应力区，三个区域内巷道垂直应力变化趋势相似，呈漏斗状形态，支护区的最大垂直应力达到28 MPa，当与巷道的相对距离为30 m时，垂直应力值降为0 MPa，空顶其区的最大垂直应力值为26 MPa，垂直应力最低值为0，距离巷道30 m处。掘进迎头区垂直应力变化幅度小，应力升高区域并未出现大幅度的减少，整体区域平缓状态，而在迎头应力降低区域，巷道最大垂直应力值与最小值差为9 MPa。

图2 掘进巷道不同断面径向垂直应力（MPa）分布图

2 巷道围岩塑性区发育及围岩演化规律

从上述模拟结果可以看出，支护区和空顶区巷道垂直应力较大，因此对空顶区和支护区塑性区域进行数值模拟，模拟结果如图3所示。图中棕色单元体（A区）组成的区域表示岩体受剪切和拉伸破坏，粉色单元体（B区）组成的区域表示岩体正在受剪切、拉伸破坏，但是并未破坏，黄色单元体和绿色单元体（D区）组成的区域表示岩体受到了拉伸破坏；蓝色单元体（C区）组成的区域表示岩体受到弹性破坏。在支护区域，塑性破坏的区域达到54 m3，在空顶区巷道断面破坏现象严重，塑性破坏区域达到99 m3，塑性演化现象严重。在巷道顶板以及两帮进行及时支护可缓解塑性区的演化，提高岩体的承载强度。但是围岩一直处于高应力承载状态，急需将塑性变形进行进一步的缓解，塑性破坏区域向巷道的顶底角发育，形成了类似椭圆形的破坏区域。在高应力的持续作用下，浅部围岩的顶板受到拉伸破坏，因此垂直应力变化明显，因为空顶区处于无支护状态，且岩体多为硬度较低的煤体，所以导致塑性破坏向深部扩展，同时，帮部支撑力的降低导致顶板的支撑力减弱，进一步增加了塑性区域的发育；底板塑性区域的扩展主要是因为巷道某个断面在某一方向应力瞬间释放带动剩余应力释放形成大面积的塑性破坏区域，塑性破坏区域方向明显，这是因为外界变形限制降低所致。

巷道掘进后，断面在空间状态下呈现六面体形状，因为走向条件的一致性，因此模型可简化成四面平面单元，得到如图4所示的掘进巷道不同位置断面剪切应力模拟图，从图中可以看出，四面平面单元每个顶角都出现剪切应力突变现象。以巷道中轴和纵轴为界限区域划分为四个大小一样的区域，每个区域中都表现了高切应力现象。考虑到巷道尺寸的对称性和垂直应力影响，因此将巷道模型简化成对称的矢量平面模型，即巷道两侧受到的剪切应力值大小相等，反向相反。

图4 掘进巷道不同位置断面剪切应力（MPa）模拟图

随着巷道的掘进，空顶区和迎头前方均出现了“双核”特征，分析其原因，受采掘影响，迎头区轴向两侧受力特征一致，在二维平面力学模型中，巷道断面的变形是影响剪切应力的因素，迎头附近的岩体因为受力复杂，不能简化为对称的平面二维力学模型，其受到断面形状和“C+”结构的综合影响。因为迎头断面受力的原因，导致其内部岩体也承受应力，连续分布的应力在岩体周围形成了一定范围的内敛型高剪切应力分布区，因为空顶区处于无支护状态，剪切应力的岩体中的传递作用中断，因此造成了大范围的外放型高剪切应力区域，所以，迎头前方的岩体内形成了双重高剪切应力分布圈。当空顶距离增大时，空顶区顶角、肩角处剪切应力值增加明显，极易造成巷道的变形，同时增加了顶板垮落的危险。

3 工程应用

为了验证数值模拟结果的准确性，对巷道支护区进行支护设计，支护参数如下：

顶板采用6根锚杆配合钢筋梯子梁和金属网支护，间排距900 mm×1 000 mm，帮部采用8根高性能锚杆配合钢筋梯子梁和金属网支护，间排距1 100 mm×1 000 mm，其他锚杆垂直岩面施工，每根帮部锚杆眼底使用1支CK2340型，外部使用1支K2340型树脂药卷锚固实现加长锚固，具体支护参数图如图5所示。

图5 支护参数图（未标单位：mm）

在此支护基础上，观察围岩变形随时间的变化曲线，得到图6所示的结果。从图中可以看出，掘进期间两帮相对稳定位移量为103 mm，顶底板相对稳定移近量为78 mm，作业期间顶板稳定。因此证实了支护区良好的支护效果可以有效改善空顶区的围岩变形。

图6 围岩变形观测曲线

4 结论

1）掘进迎头区“C”型支撑结构和支护区锚杆锚索支护耦合支护共同决定了空顶区顶板的破坏方式和下沉量。

2）空顶区受力复杂，新旧裂纹相互贯穿发育且在上覆岩层的重力作用下巷道变形严重，当巷道下位顶板的强度不足以支撑顶板载荷时，应该增强支护保证高位岩层的承载能力。

3）空顶区处于无支护状态，当空顶区距离增加时，迎头区和支护区之间的悬空顶板的位移得到限制，在剪切应力的作用下，空顶区顶板容易垮落，施工过程中应该注意顶板的防护。