0 引 言

巷道围岩松动圈是对巷道围岩破坏情况进行定量分析的指标，根据松动圈的范围进行指导采用不同措施保持巷道稳定。目前许多分析方法如弹塑性理论、普氏理论、太沙基理论等对松动圈的形成都有不同的描述。董方庭等[1-2]提出了巷道围岩松动圈支护理论，认为松动圈厚度是衡量围岩失稳程度与支护难度的关键性指标；刘刚等[3-4]讨论了矩形煤巷围岩松动圈的形成及回归公式，得出了矩形巷道围岩松动圈发育的一般性规律；靖洪文等[5]对深井巷道围岩松动圈影响因素进行了实测分析，提出了深井巷道围岩松动圈控制技术；张华磊等[6]探讨了采动环境下巷道围岩的破裂演化机制，并针对巷道变形特征制定了相应的控制方案；孙希奎等[7]研究了直墙半圆拱形煤巷围岩松动圈的分布规律，验证了“蝴蝶”形松动圈形成机理；陈秋南等[8]通过修正扰动参数推导出了圆形隧道轴对称条件下围岩松动圈的解析式，但在实际应用中效果不佳。

以上研究多是针对深井或圆拱形巷道，较少针对浅埋矩形巷道条件探讨围岩松动圈演化规律。我国西北浅埋煤层开采强度大，建设的煤矿地下水库需要保证较高的煤柱稳定性，矿井安全高效开采与地下水库稳定运行对巷道围岩变形控制提出了更高的要求[9-11]。笔者以补连塔煤矿浅埋煤层高强度综采工作面矩形巷道为工程背景，综合运用理论分析、数值模拟及现场实测的方法，探究不同采动条件下巷道围岩松动圈演化规律，有利于浅埋煤层巷道煤柱留设及地下水库煤柱坝体系统安全运行，同时为类似条件下巷道围岩控制提供科学依据。

1 浅埋矩形巷道围岩松动圈分析

回采巷道开挖后，煤体原有应力的平衡状态被破坏，围岩应力重新分布并出现应力集中现象。围岩一定范围的煤体发生变形破坏，破碎产生裂隙从而形成塑性变形区。以圆形巷道为例，其围岩应力分布如图1所示[12-13]。①破裂区A：围岩强度明显削弱，低于原岩应力p，围岩发生明显的破裂和位移；②塑性区B：位于破裂区A之外，围岩出现塑性破坏处于缓慢变形中，但围岩强度随深度增加而增大；③弹性区C：围岩切向应力σt大于原岩应力p，只发生弹性变形，围岩较稳定；④原岩应力区D：围岩处于巷道开挖影响范围之外，保持原岩状态。根据上述分析，将破裂区A和塑性区B合称为围岩的松动圈。

利用动量沉降法来区分固液两相，即假设靶材为多孔材料，材料液相区孔隙率为1，固相区孔隙率为0，单元的孔隙率就等于其液体体积分数。根据材料温度场分布，液体的体积函数(V)可以表示为：

  

O—圆形巷道位置；σt、σr—切向应力、径向应力图1 圆形巷道围岩应力分布Fig.1 Stress distribution of surrounding rock of circular roadway

矩形回采巷道多为全煤巷掘进，顶底板与两帮岩性差别较大，根据文献[4]中的矩形巷道松动圈回归公式可知，围岩松动圈与原岩应力、围岩强度Sc及宽高比K密切相关，其中原岩应力与围岩强度对松动圈范围影响最大，采动过程中顶底板受拉、两帮受压，破裂主要集中在两帮呈“凸”型发育，破裂范围随时间不断向煤岩体内部扩展。矩形巷道围岩松动圈如图2所示。

海尔对于用户安全问题永远放在产品研发的第一位，随着海尔研发体系不断增强，产品在服务、智能化、安全、品质等方面不断迭代升级，为消费者带来不断升级的价值服务。据了解，目前海尔厨电在全球拥有5大研发中心，包括美国-路易斯维尔研发中心、意大利-巴萨诺研发中心、新西兰-达尼丁研发中心等。在5大研发中心的开放研发体系支撑下，海尔拥有了行业难以望其项背的科技实力。

  

Sc1、Sc2、Sc3分别表示上覆岩层、煤层、下部岩层的围岩强度图2 矩形巷道围岩松动圈示意Fig.2 Schematic diagram of broken zone of surroundingrock in rectangular roadway

从式(1)可知，煤岩体波速可间接反映煤岩块抗压强度及内部破坏情况，通过巷道围岩不同深度的波速变化规律可确定巷道围岩的松动圈范围。

 

表1 巷道围岩稳定性分类[1-2]Table 1 Stability classification of roadway surrounding rock

  

围岩分类围岩稳定性围岩松动圈直径/cmⅠ稳定围岩0^40ⅡⅢ较稳定围岩一般围岩40^100100^150ⅣⅤⅥ一般不稳定围岩不稳定围岩极不稳定围岩150^200200^300>300

2 工程概况

记者还了解到，由于政府控制化肥用量，提倡有机肥替代化肥，如今安徽省化肥使用总量已连续3年下降，控制化肥用量也同时成为厂家化肥销量下降的重要原因之一。10月中下旬，新一轮备肥开始，伴随着农业需求的增加，化肥销量和价格上涨也在情理之中。但是，安徽地区部分经销商表示，如果化肥价格一直趋高不降，有价无市、旺季不旺的现状对化肥市场的健康发展未必是一件好事。

 

表2 煤岩力学参数

 

Table 2 Coal and rock of mechanics parameters

  

岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa内摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉强度/MPa密度/(kg·m-3)砂质泥岩2.441.53324.01.52 600细砂岩1.350.85353.51.32 600粉砂岩1.450.79353.01.52 600泥岩0.610.34301.10.61 600中砂岩3.852.42374.02.52 600煤层0.610.31291.00.51 500

  

图3 巷道断面示意Fig.3 Schematic of roadway section

3 浅埋矩形巷道松动圈采动响应特征

3.1 采动作用下浅埋巷道围岩破坏机理

浅埋煤层上工作面回采完成之后，由于采出空间较大，采空区顶板易在两侧煤壁处出现切落形成“台阶岩梁”结构，采空区深部垮落顶板逐渐压实，在四周煤体上形成残余支承压力λ1，压力影响范围在15～30 m，如图4a所示；本工作面向前推进时，顶板周期破断易形成“短砌体梁”结构，在工作面煤壁前方形成超前支承压力λ2，压力影响范围40～60 m，如图4b所示[14-17]。

  

图4 不同支承压力示意Fig.4 Schematic diagram of different abutment pressure

浅埋矩形巷道掘进工作结束后，因巷道埋藏浅所受垂直应力较低，围岩变形破坏情况并不显著；22301工作面回采完成后，22302工作面回风巷承受22301工作面采空区残余支承压力的影响，考虑围岩流变情况，巷道围岩破坏范围进一步扩大，但由于留设煤柱存在导致22302工作面回风巷煤柱侧围岩破坏情况较工作面侧严重；22302工作面回采时，工作面采高达6～7 m，开采强度大，煤壁前方一定范围内巷道受超前支承压力的影响，围岩破坏变形速度达到最大，并表现为工作面侧围岩破坏情况较煤柱侧更严重；22303工作面回采时，其回风巷承受22302工作面采空区形成的残余支承压力与22303工作面回采超前支承压力叠加的影响，巷道围岩应力急剧增高，同时应力的反复扰动使巷道围岩变形比仅受一次采动影响时更加剧烈。

②多数居民通过亲身经历获得相关内涝灾害知识，还有通过广播、电视、报纸、网络等大众传媒方式获取这方面的知识，少有通过其他方式获得。说明居民获取内涝灾害信息的渠道单一，对政府的依赖度很低。

3.2 浅埋矩形巷道围岩采动破坏数值分析

1)数值模型建立。为探究采动作用下浅埋矩形巷道围岩破坏演化规律，以22302工作面回采巷道为研究对象，利用FLAC3D建立数值模型，模拟不同采动情况下的巷道围岩变形破坏规律。建立的三维数值模型如图5所示，工作面布置与巷道相对位置如图6所示。

模型尺寸为X方向1 062 m，Y方向300 m，Z方向65 m，模型四周采用固定位移约束，底部固定边界，上部自由边界。根据22302工作面地质生产条件，在模型上边界施加4.5 MPa垂直应力模拟上覆岩重，侧压系数取1.2，初始地应力平衡采用摩尔-库仑本构模型计算，采用岩石力学参数见表2。

  

图5 三维数值模型Fig.5 Three-dimensional numerical model

  

图6 工作面与巷道布置Fig.6 Layout of working face and roadway

根据声波探测原理并结合不同测站声波传播速度，可推断不同采动阶段下矩形巷帮围岩破坏松动范围，具体数据见表3。

2)巷道应力位移模拟结果分析。根据数值计算及监测结果，得到巷道垂直应力模拟结果如图7所示，位移监测数据如图8所示。

这个阶段已经存在较为成熟的知识产权规则，人工智能创作程序的开发者可以对其设计开发的程序享有版权、专利或商业秘密，并通过销售人工智能软件或许可他人使用人工智能软件获益。对于纯粹“人工智能创作”而言，由于程序的设计者无法预设创作结果，最多从算法设计、风格选择等思想层面对人工智能创作进行干预，因此不应对人工智能生成内容拥有权利。

根据巷道所受垂直应力模拟结果可知，在回采稳定阶段，22301工作面残余支承压力最大值为12.2 MPa，应力集中系数为2.22，出现位置距22301运输巷煤壁2.5～3.0 m范围内，之后沿煤柱倾向向22302工作面方向递减，22302回风巷受残余支承压力影响，垂直应力大小表现为煤柱侧大于工作面，巷道煤柱侧围岩移近量最大值为44 mm，工作面侧为37 mm，巷道破坏形式表现为煤柱侧较工作面严重；在一次采动阶段，巷道受工作面超前支承压力的影响，22302运输巷两侧围岩受力均在10 MPa左右，但巷道工作面侧应力集中范围半径较煤柱侧大4.0～5.0 m，巷道工作面侧围岩移近量衰减程度较煤柱侧小，工作面侧破坏情况更严重；在二次采动阶段，煤柱上的应力分布规律与回采稳定阶段相似，22303回风巷应力分布规律与一次采动阶段相似，但煤柱垂直应力最大值达26.6 MPa，应力集中系数达4.84，应力扰动受回采稳定及一次采动叠加影响，此时巷道工作面侧围岩移近量最大达151 mm，而煤柱侧仅为67 mm，围岩整体破坏情况较为严重。

  

图7 巷道垂直应力模拟结果Fig.7 Simulation results of roadway vertical stress

  

图8 监测位移数据Fig.8 Monitoring displacement curre

3)巷道松动圈模拟结果分析。根据文献[7]定义的松动圈范围确定方法，数值模拟塑性区近似等同于松动圈厚度是不准确的，应采用Y方向水平主应力小于最大水平主应力的方法确定数值模拟围岩松动圈范围[7]。

  

图9 Y方向主应力云图Fig.9 Principal stress nephogram of Y direction

根据巷道实际埋深条件可知，工作面巷道最大水平主应力为6.0 MPa，巷道围岩中小于该应力的松动范围如图9所示。通过几何比例法可知，回采稳定阶段巷道两侧松动范围相差不大，均为1.2 m；一次采动阶段巷道两侧松动范围同样相似，为1.0 m；二次采动阶段巷道煤柱侧松动范围为1.4 m,工作面侧为1.3 m。整体来看，两帮松动圈发育规律与模拟应力位移规律相似，同时与理论分析中两帮松动圈向外“凸”型发育特征相吻合；由于工作面一次开采高度达6.0～7.0 m，开采强度大，巷道上部留有3.0 m左右的煤层，且巷道直接底是与煤层性质类似的泥岩，导致数值模拟结果中巷道顶底板破坏范围偏大。

4 巷道围岩松动范围实测分析

4.1 声波探测原理

采用声波探测法测量进行围岩松动范围测量，实质上是应用超声波在不同介质中传播速度不同来预测围岩的破坏程度。将煤体视为弹性体，根据弹性理论，由弹性波的波动方程通过弹性力学空间问题的静力方程推导，可得出超声波纵波波速与介质的弹性参数之间的关系为

 

(1)

其中：Vp为煤体的纵波速度；Vs为煤体的横波速度；E为煤体的弹性模量；μ为煤体的泊松比；ρ为煤体的密度。

围岩松动圈的范围是对巷道围岩稳定性评价的重要依据，根据松动圈的大小可将巷道围岩划分为不同标准类型，具体见表1。

4月18日，水利部抗震救灾前方领导小组组长、国家防办副主任李坤刚一行检查玉树州结古镇自来水厂、骞马场应急供水等应急供水工程。

4.2 巷道围岩松动圈实测分析

采用单孔声波测试法对采动作用下巷道围岩破坏情况进行实测，由于测试布置方式的局限性，松动圈实测工作只针对巷帮中部进行。单孔声波测试仪器与测试布置示意如图10所示。

  

图10 单孔声波测试法装置Fig.10 Single hole sonic testing device and schematic diagram

按照测量布置要求，分别测量巷道工作面侧(正帮)、煤柱侧(副帮)超声波的传播速度。测量工作首先钻进测量孔，孔径一般为42 mm，孔深不小于4.0 m，紧接着将孔内杂质清理干净、送探杆及测试装置入孔底并进行充水，保证孔内满水状态并缓慢将探杆拉出。每拉出10 cm记录一次数据，即根据距巷帮深度不同来反应煤体应力水平和受破坏程度的差异。3个测站全部记录数据经处理后如图11所示。

其中一次回采稳定松动圈测试(1号测站)布置在22302回风巷工作面前方150 m处，每隔10 m一点，共计3个测点；一次采动影响松动圈测定(2号测站)布置在22302运输巷工作面前方30 m处，每隔10 m或15 m一点，共计4个测点；二次采动影响松动圈测定(3号测站)布置在22303回风巷工作面前方30 m处，每隔10 m或15 m布置一个测点，共计4个测点。对每个测站的每个测点进行编号，以一次回采稳定布置为例。

根据矿井实际开采顺序及数值模拟需要，设定2个模拟步骤，步骤一：22301工作面完全回采→22302工作面两巷掘进→22302工作面回采60 m→在22302工作面前方120 m处的22302回风巷(编号为1号)、22302工作面前方20 m处的22302运输巷(编号为2号)布置测线；步骤二：22301工作面完全回采→22302工作面两巷掘进→22302工作面回采100 m→22303工作面两巷掘进→22303工作面回采70 m→在22303工作面前方15 m的22303回风巷(编号为3号)布置测线。其中1号、2号、3号测站分别对应22301回采稳定、22302一次采动和22303二次采动阶段，测线布置在巷帮中间位置，监测深度为5 m，模拟开挖时模型四周各留有50 m煤柱以消除边界效应，开挖后的采空区采用压实理论进行充填以表征顶板垮落压实现象[18]。

补连塔煤矿位于西北典型浅埋矿区，矿井主采2-2煤层，煤层较稳定，倾角1°～3°，可采厚度6.55～7.25 m，平均厚度7.0 m。矿井22302工作面长301 m，地面标高+1 148—+1 290 m，煤层底板标高+1 030—+1 067 m，设计采高为6.8 m，工作面直接顶以细砂岩、砂质泥岩为主，基本顶以粉砂岩及中砂岩为主，直接底以泥岩、粉砂岩为主。22302工作面回采巷道断面设计为矩形，长×宽=6.0 m×4.5 m。根据实验室测定的煤岩力学参数见表2，巷道断面如图3所示。

  

图11 不同测站声波传播速度Fig.11 Velocity diagram of sound wave propagationat different measuring stations

 

表3 不同采动阶段下巷道松动范围

 

Table 3 Roadway loosening range underdifferent mining stages

  

影响阶段测点位置松动范围/m工作面侧煤柱侧一次回采稳定170 m处1号孔160 m处2号孔150 m处3号孔0.91.01.01.01.11.0一次采动影响65 m处1号孔50 m处2号孔40 m处3号孔30 m处4号孔0.80.80.90.90.70.70.80.8二次采动影响65 m处1号孔50 m处2号孔40 m处3号孔30 m处4号孔1.31.51.41.41.11.21.11.1

根据表3中的数据可知，一次回采稳定阶段，工作面侧巷帮松动范围在0.9～1.0 m，平均1.0 m；煤柱侧巷帮松动范围在1.0～1.1 m，平均1.0 m，两帮的松动圈趋于一致；一次采动影响阶段，工作面侧巷帮松动圈范围0.8～0.9 m，平均0.85 m，煤柱侧巷帮松动范围在0.7～0.8 m，平均0.75 m，两帮松动范围随距离工作面距离的缩小而逐渐增大；二次采动影响阶段，工作面侧巷帮松动范围在1.3～1.5 m，平均1.4 m，煤柱侧巷帮松动范围在1.1～1.2 m。

4.3 浅埋矩形采动巷道松动圈演化规律分析

根据实测结果和数值模拟分析可知，回采稳定阶段和二次采动阶段巷道松动圈均表现为煤柱侧大于工作面侧，而一次采动阶段表现为工作面侧大于煤柱侧，这是由于煤柱侧承受从回采完毕长时间存在的采空区残余支承压力的影响，而工作面侧承受的是移动超前支承压力的作用；同时，巷帮松动圈实测显示松动范围最大为二次采动阶段的1.1～1.4 m，最小为一次采动阶段的0.75～0.85 m，模拟结果显示松动范围最大为二次采动阶段的1.3～1.4 m，最小为一次采动阶段1.0 m，实测结果增长0.4～0.5 m，模拟结果增长0.3～0.4 m，两者数据及变化幅度接近，表明巷道在二次采动受残余支承压力和超前支承压力叠加影响时巷道破坏最严重，且回采稳定残余支承压力影响程度要大于一次采动超前支承压力。

根据巷道围岩稳定性分类可知，22302回风巷受一次回采稳定影响时为中松动圈一般围岩状态；22302运输巷受一次采动影响时为中松动圈较稳定围岩状态；22303回风巷受二次采动影响时为大松动圈一般不稳定围岩状态。整体而言，巷道围岩在工作面回采时并未出现严重破坏，回采后采空区逐渐压实过程中，遗留煤柱两侧破坏情况加重。从保证地下水库安全运行的角度考虑，应在整个回采周期中对破坏严重的巷道煤柱侧进行加强支护，根据松动圈范围进行支护设计，采取锚网喷联合支护如图12所示。

  

图12 锚网喷联合支护示意Fig.12 Bolting and shotcreting support with wire mesh

5 结 论

1)根据对浅埋高强度采动巷道围岩破坏特征分析可知，巷道围岩松动圈主要在两帮呈“凸”型发育，破坏程度受采空区残余支承压力和工作面超前支承压力影响。

2)数值模拟和实测结果均表明，回采稳定阶段与二次采动阶段巷道松动圈发育煤柱侧大于工作面侧，而一次采动阶段相反，说明残余支承压力的影响程度要大于超前支承压力。

3)浅埋矩形巷道受二次采动影响时两帮松动圈发育最大，受一次采动影响时最小，松动范围增加0.4～0.5 m，表明二次采动应力叠加影响时巷道破坏最严重。

4)煤矿地下水库留设的煤柱坝体受多次采动及长期采空区残余支承压力的影响，从保证地下水库安全运行考虑，提出了采用锚网喷联合支护方法进行煤柱坝体长期稳定性控制的方法。

乐山市位于四川中南部、四川盆地西南部、成都平原至川西南山地过渡带。北连眉山市，东邻自贡市，南接宜宾市和凉山彝族自治州，西界雅安市。介于东经102°55′～104°00′、北纬28°25′～29°55′之间。南北长165 km，东西宽90～120 km，幅员面积12 723 km2。市境地势呈西南高、东北低的倾斜状，地貌以山地为主，丘陵次之，平原较少，分别占全市幅员面积的67%、21%、12%。海拔高程306～4 288 m。气候属水热组合优越的中亚热带季风湿润气候，为我国内地四川盆地西部特殊的“海洋性气候岛”的一部分。地层从前震旦系峨边群到第四系全新统都有赋存。

比较两组治疗前后的肝肾功能、血脂、糖化血红蛋白(Hb A1c)、CK、ET-1、TXB2水平,其中ET-1、TXB2采用放免法检测(西安凯普公司FM2000γ免疫计数器)。

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