采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時，掘支錨不能平行作業(yè)，影響掘進(jìn)效率，該項目針對掘支錨連續(xù)平行作業(yè)機(jī)理進(jìn)行了深入研究。為了實現(xiàn)掘支錨運連續(xù)平行作業(yè)，需對巷道掘進(jìn)與錨固分離時，圍巖變形破壞機(jī)理、支護(hù)機(jī)理進(jìn)行研究，研究手段為數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結(jié)合等方法。
1.掘錨分離巷道圍巖受力及變形破壞特征
(1)掘進(jìn)工作面后方15m范圍不同支護(hù)下巷道圍巖應(yīng)力分布
采用Flac3D軟件模擬某礦西下山回風(fēng)巷掘錨分離巷道圍巖受力、變形及破壞規(guī)律。模擬研究掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)不打設(shè)錨桿（a）、頂板每排布置2根錨桿(b)、頂板每排布置4根錨桿(c)及頂板每排布置6根錨桿每兩排布置2根錨索(d)4種不同錨桿布置方式時，巷道圍巖應(yīng)力、圍巖及塑性區(qū)情況，如圖1~圖2所示。
圖1巷道圍巖垂直應(yīng)力場分布
圖2巷道圍巖水平應(yīng)力場分布
從圖1、圖2看出，掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)，（a）、（b）、（c）、（d）4種不同條件下巷道圍巖應(yīng)力分布形態(tài)影響較大，但對最大應(yīng)力值卻相差不大。4種情況下最大垂直應(yīng)力值在12.5MPa～12.8MPa之間，垂直應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在巷道的兩幫，頂板垂直應(yīng)力釋放，屬于應(yīng)力降低區(qū)。掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)不打錨桿情況下，可明顯看出未布置錨桿區(qū)域頂板應(yīng)力釋放區(qū)域很大，頂板應(yīng)力降低區(qū)范圍大約是正常錨桿、錨索支護(hù)段應(yīng)力降低區(qū)范圍的3倍左右。隨著錨桿支護(hù)數(shù)量的增加，頂板垂直應(yīng)力釋放區(qū)范圍縮小。
隨著錨桿支護(hù)數(shù)量的增加，頂板最大水平應(yīng)力略有減小的趨勢，但減小幅度較小，其原因是錨桿支護(hù)增加了頂板巖體的整體抗壓強度，使圍巖受力更為均勻。不打錨桿情況下，最大水平應(yīng)力為13.05MPa；掘進(jìn)面后方每排布置2根錨桿情況下，最大水平應(yīng)力為12.96MPa；每排布置4根錨桿情況下，最大水平應(yīng)力為12.94MPa，每排布置6根錨桿每兩排布置2根錨索情況下，最大水平應(yīng)力為12.85MPa。從水平應(yīng)力分布形態(tài)來看，與垂直應(yīng)力分布形態(tài)類似，不打錨桿時，頂板水平應(yīng)力降低區(qū)范圍較大，隨著錨桿支護(hù)數(shù)量和強度的增加，頂板水平應(yīng)力降低區(qū)范圍逐漸減小。
(2)掘進(jìn)工作面后方15m范圍不同支護(hù)強度下圍巖位移分布
掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)，不打錨桿、頂板打設(shè)2根錨桿、4根錨桿、6根錨桿及2根錨索4種條件下巷道圍巖位移分布情況見圖3～圖4所示。
圖3巷道圍巖垂直位移場分布
圖4掘進(jìn)面后方不同位置及不同錨桿支護(hù)數(shù)量下頂板下沉曲線
針對某礦頂板巖層條件，掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)不打錨桿情況下，巷道頂板下沉達(dá)到75.85mm，頂板將可能出現(xiàn)離層現(xiàn)象。掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)每排布置2根錨桿情況下，巷道頂板下沉34.40mm，頂板基本不會出現(xiàn)離層現(xiàn)象。掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)每排布置4根錨桿情況下，巷道頂板下沉21.66mm，頂板基本不會出現(xiàn)離層現(xiàn)象。掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)每排布置6根錨桿每兩排布置2根錨索情況下，巷道頂板下沉20.20mm，頂板不會出現(xiàn)離層現(xiàn)象。巷道兩幫水平位移相差不大。巷道掘進(jìn)后變形最為劇烈的范圍為掘進(jìn)工作面后方10m范圍內(nèi)，隨后逐漸趨緩。隨著錨桿數(shù)量的增加，頂板下沉量減小，錨桿數(shù)量4根和6根時在掘進(jìn)初期對巷道的變形影響相差不大。
(3)掘進(jìn)工作面后方15m范圍不同支護(hù)強度下圍巖塑性破壞區(qū)分布
掘進(jìn)工作面后方15m范圍內(nèi)，（a）、（b）、（c）、（d）4種不同條件下巷道塑性破壞區(qū)分布情況見圖5所示。
圖5 巷道圍巖塑性破壞區(qū)分布形態(tài)
4種條件下圍巖塑性破壞區(qū)分布存在一定差別，掘進(jìn)面后方15m范圍不打錨桿，巷道頂板及掘進(jìn)工作面前方煤體塑性破壞區(qū)較大，頂板塑性破壞范圍達(dá)到了4m。隨著頂板支護(hù)強度的增加，頂板塑性破壞區(qū)范圍逐漸減小。同時，由于支護(hù)強度的增加，頂板承載能力增強，對掘進(jìn)工作面前方煤體的塑性破壞區(qū)分布也存在一定的影響，隨著頂板支護(hù)強度的增加，工作面前方煤體塑性破壞區(qū)有少量減少。
2.不同空頂距錨桿（索）錨固性能測試
為了分析不同空頂距對錨桿（索）錨固性能發(fā)揮的影響，采用CRM500，直徑22mm的錨桿，直徑為22mm的錨索，在某礦下山回風(fēng)巷進(jìn)行了試驗。分別測試了及時支護(hù)時錨桿（索）錨固力、空頂2排（排距1000mm）后支護(hù)時錨桿（索）錨固力及空頂3排（排距1000mm）后支護(hù)時錨桿（索）錨固力。從測試結(jié)果來看，隨著空頂距增大，錨桿錨固力及錨索張拉力一定程度上會降低，且?guī)湾^桿錨固力略小于頂錨桿錨固力。但是某礦西下山回風(fēng)斯巷空頂3排支護(hù)后335#號鋼頂幫錨桿平均錨固力分別為193kN和187.3kN，錨索平均張拉力為283kN，完全能夠滿足生產(chǎn)設(shè)計要求。
同時采用鉆孔窺視儀在臨時支架掩護(hù)下，對剛掘進(jìn)出的巷道頂板及24小時后頂板圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)后在臨時支架作用下未打設(shè)錨桿24小時后頂板基本未發(fā)生離層現(xiàn)象。
3.掘進(jìn)工作面臨時支護(hù)裝置作用
依據(jù)煤礦地質(zhì)與生產(chǎn)條件，分別模擬了臨時支架距掘進(jìn)工作面距離為3m、2m、1m和0m四種情況下巷道圍巖的應(yīng)力和位移分布特征，數(shù)值模型如圖6~圖7所示。
圖6 巷道頂板圍巖垂直應(yīng)力分布
圖7 巷道頂板圍巖垂直位移分布
臨時支架距掘進(jìn)工作面不同距離時，巷道圍巖應(yīng)力垂直應(yīng)力分布形態(tài)大致相當(dāng)，都是巷道頂?shù)装鍛?yīng)力釋放，掘進(jìn)工作面前方5m范圍應(yīng)力集中，尤其掘進(jìn)工作面處上、下兩角處。從垂直應(yīng)力數(shù)值來看，臨時支架離掘進(jìn)工作面距離為3m、2m、1m三種情況下，巷道圍巖垂直應(yīng)力大小相差不大，約為13.17MPa；當(dāng)臨時支架緊跟掘進(jìn)工作面，即臨時支架距掘進(jìn)工作面0m時，由于臨時支架的支護(hù)作用，掘進(jìn)工作面前方垂直應(yīng)力集中程度降低，最大垂直應(yīng)力減小為12.63MPa。
從臨時支架距掘進(jìn)工作面不同距離時巷道頂板下沉量看，臨時支架離掘進(jìn)工作面距離為3m、2m、1m、0m時下頂板下沉量總體相差不大，約為20.7mm。但頂板位移形態(tài)卻不同，臨時支架與掘進(jìn)工作面距離越近，對頂板那上部巖層擾動越小，頂板上部整體下沉空間越小。因此，臨時支架應(yīng)盡量緊跟掘進(jìn)工作面，以減小掘進(jìn)頭處的應(yīng)力集中，減小頂板上部的擾動下沉空間，需開發(fā)相應(yīng)的連續(xù)自移式臨時支護(hù)裝備。
4.掘支錨連續(xù)平行作業(yè)支護(hù)機(jī)理
基于以上巷道圍巖應(yīng)力數(shù)值計算、及現(xiàn)場測試結(jié)果得出，掘支錨連續(xù)平行作業(yè)支護(hù)機(jī)理主要包括以下內(nèi)容：
(1)巷道掘進(jìn)將影響圍巖應(yīng)力重新分布，是一個先加載后卸載的過程，巷道圍巖的破壞主要是由于掘進(jìn)過程中偏應(yīng)力增大所引起。
巷道掘進(jìn)對圍巖來說是一個先加載后卸載的過程。巷道開始掘進(jìn)后，距離掘進(jìn)工作面一定距離的一點A處首先應(yīng)力達(dá)到超前支承應(yīng)力的峰值，隨著開挖的進(jìn)行，A點的應(yīng)力逐漸降低。
由于巷道的掘進(jìn)，引起巷道圍巖的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力在掘進(jìn)工作面周圍重新分布，在工作面前后方出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)與降低區(qū)。巷道前方圍巖在超前支承應(yīng)力的作用下，應(yīng)力逐漸升高，隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，圍巖應(yīng)力逐漸降低，工作面推過后，支承應(yīng)力急劇降低，隨著掘進(jìn)距離的增加，巷道后方圍巖應(yīng)力緩慢恢復(fù)。
巷道圍巖在這種加載-卸載的力學(xué)環(huán)境中，其應(yīng)力偏量（）逐漸增大，以摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則為例，處在極限平衡狀態(tài)的圍巖，當(dāng)圍壓（）固定，軸壓（）增加時，或當(dāng)軸壓固定，圍壓減少時，都會引起偏應(yīng)力（）的增加，從而導(dǎo)致巖體破壞。
(2)巷道支護(hù)的實質(zhì)是通過錨桿或掘進(jìn)工作面臨時支架，改變巷道圍巖的受力狀態(tài)，有效降低圍巖應(yīng)力減小速率，避免偏應(yīng)力（）的快速增大，從而提高圍巖承載能力。
巷道圍巖作為一種天然的多孔介質(zhì)，其內(nèi)部存在大量的微裂紋、微孔洞和微缺陷等細(xì)觀結(jié)構(gòu)，在巷道掘進(jìn)、回采等施工擾動過程中，圍巖處于反復(fù)的加卸載過程中，在這種循環(huán)加卸載過程中，煤巖體內(nèi)部節(jié)理、裂隙張開，新的裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展，導(dǎo)致圍巖擴(kuò)容膨脹，最后失穩(wěn)。
巷道開挖后，圍巖應(yīng)力釋放過程需要一定的時間，在應(yīng)力釋放期內(nèi)采取錨桿支護(hù)或掘進(jìn)工作面臨時支架支護(hù)措施后，將有效降低圍巖應(yīng)力減小速率，避免偏應(yīng)力（）的快速增大，從而減小巷道圍巖的破壞。
(3)圍巖條件不同，巷道掘進(jìn)后應(yīng)力降低速率不同，對于某礦試驗巷道地質(zhì)條件，掘進(jìn)工作面臨時支護(hù)及前期錨桿支護(hù)能夠有效控制巷道頂板離層，并阻止圍巖塑性破壞區(qū)的擴(kuò)展，同時掘支錨連續(xù)平行作業(yè)顯著提高了成巷速度。
不同條件的圍巖，巷道圍巖應(yīng)力釋放過程不同，當(dāng)圍巖破碎強度較低時，應(yīng)力釋放速度較快；當(dāng)圍巖一般時，應(yīng)力釋放速度一般；當(dāng)圍巖堅硬，強度較高時，應(yīng)力釋放較慢。
巷道開挖后，由于圍巖應(yīng)力釋放，巷道發(fā)生頂板離層，無支護(hù)時離層隨著時間的推移逐漸增大；采取掘進(jìn)工作面臨時支架主動支護(hù)后將有效減小離層速度和離層量。頂板離層存在離層界限值，當(dāng)離層值大于離層界限值后，打設(shè)錨桿索將會對支護(hù)產(chǎn)生影響；當(dāng)頂板離層在離層界限值內(nèi)，對錨桿索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散及傳遞影響范圍較小，打設(shè)錨桿索后對支護(hù)效果影響不大。
巷道開挖后，受偏應(yīng)力的作用巷道圍巖將形成塑性破壞區(qū)，不同圍巖條件時塑性破壞區(qū)分布范圍不同。根據(jù)現(xiàn)場試驗?zāi)车V巷道采用臨時支護(hù)及兩幫各打設(shè)一根錨桿后，能夠有效控制巷道圍巖擴(kuò)容變形，圍巖塑性區(qū)范圍非常有限，在臨時支護(hù)區(qū)域外打設(shè)錨桿索施加高預(yù)緊力后能夠有效阻止了塑性區(qū)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。
掘支錨連續(xù)平行作業(yè)一體化時，首先采用臨時支護(hù)裝置初撐力或頂板首次支護(hù)錨桿在頂板永久支護(hù)前，短期內(nèi)控制頂板離層破壞的發(fā)生，永久支護(hù)錨桿索打設(shè)后將與初次打設(shè)錨桿工作作用，防止頂板巖層發(fā)生離層破碎等。掘支錨連續(xù)平行作業(yè)一體化的關(guān)鍵為：初期頂板離層破壞的控制，及后期支護(hù)完成盡量實現(xiàn)一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護(hù)和巷道維修。
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