內(nèi)蒙古高家梁煤礦巷道加固及圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析

張向東，王 飛 ，陳 千

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜 新 1 23000）

0 引言

在優(yōu)先發(fā)展能源交通的背景下，我國的煤炭開發(fā)及煤田建設(shè)進(jìn)入重要的發(fā)展期。自新中國成立以來，我國煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，尤其是近些年，隨著煤炭行業(yè)的異軍突起，大批煤礦建設(shè)，如雨后春筍一般出現(xiàn)在祖國大地上。隨著井田建設(shè)的迅猛增長，事故率也在不斷攀升，特別是煤礦軟巖問題一直是困擾煤礦生產(chǎn)和建設(shè)的重大難題之一［1］。

煤田井巷加固技術(shù)眾多，下面僅以廣泛采用的錨固技術(shù)來說明加固的作用機(jī)理。目前國內(nèi)外錨固理論的研究主要圍繞以下兩個(gè)方面進(jìn)行：其一是從錨固體加固的效果出發(fā)研究錨固體的作用機(jī)理，從而揭示加固作用的機(jī)理；其二是從錨固體與周圍接觸介質(zhì)相互作用的角度出發(fā)研究錨固載荷傳遞機(jī)理，尤其是對(duì)加漿錨固體中錨固體與注漿體、注漿體與圍巖土體間相互作用的粘應(yīng)力分布狀態(tài)以及傳遞機(jī)理的研究。

錨固作用是充分利用錨固體周圍巖體的自身抗剪強(qiáng)度，通過錨固體將拉力傳遞至結(jié)構(gòu)體，以此保持結(jié)構(gòu)體的自身穩(wěn)定。目前對(duì)錨固作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)主要有以下幾種觀點(diǎn)：

（1）懸吊作用原理；

（2）組合梁作用原理；

（3）緊固作用原理；

（4）增強(qiáng)作用原理；

（5）連續(xù)壓縮拱作用原理；

（6）銷釘作用原理。

上述的幾種觀點(diǎn)反映了不同錨固方式在不同作用條件下的加固作用，但其對(duì)應(yīng)的力學(xué)模型粗糙，只是實(shí)際情況的抽象處理。但由于概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單，目前仍廣泛用于巖土錨固工程中。

在井田施工過程中，由于巖體的天然應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，引起井田周圍巖體的卸荷回彈和應(yīng)力重分布，當(dāng)這種回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度所能承受的范圍時(shí)，將造成工程巖體的失穩(wěn)破壞，給井田施工和運(yùn)營帶來危害。由于煤田巷道賦存于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，且一般的煤田建設(shè)往往投資巨大，一旦發(fā)生圍巖失穩(wěn)情況，往往使煤田建設(shè)的正常施工、安全使用、采礦或其他作業(yè)無法繼續(xù)進(jìn)行，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故，造成可怕的人員傷亡及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以研究地下洞室圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性對(duì)井田建設(shè)工程是非常有意義且是必要的。長期以來，井田圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和井田開挖后應(yīng)力重分布特征研究一直是工程界研究的重要課題［2］。

1 運(yùn)輸大巷工程加固

高家梁煤礦淺埋軟巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境特征，以及軟巖的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)根據(jù)具體的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析高家梁礦區(qū)軟巖為極松散弱膠結(jié)易風(fēng)化巖石。

高家梁井田位于鄂爾多斯萬利礦區(qū)南部，鄂爾多斯市東南約8km處。從井筒地質(zhì)柱狀圖和實(shí)際揭露的巖性看，該礦井屬于比較典型的地質(zhì)軟巖礦區(qū)。圍巖強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，碎脹變形大，支護(hù)難度較大。2008年6月，內(nèi)蒙古高家梁煤礦井田2-2掘進(jìn)頭處施工時(shí)夜間發(fā)生冒頂，出現(xiàn)50m的冒頂區(qū)間，致使正在施工的5名礦工被埋，出現(xiàn)冒頂?shù)脑蚴?，其一掘進(jìn)段地層正處于軟巖段，巷道圍巖極其不穩(wěn)定，支護(hù)強(qiáng)度不能滿足強(qiáng)度與剛度的要求，支護(hù)方式不合理，其二現(xiàn)場(chǎng)施工人員擅自更改設(shè)計(jì)圖紙，加寬掘進(jìn)面后方儲(chǔ)物室容積，致使支護(hù)受力驟增，支護(hù)失效，發(fā)生慘劇。

高家梁煤礦現(xiàn)行支護(hù)方案在圍巖條件較好地段可以滿足強(qiáng)度與剛度要求，但是掘進(jìn)到軟巖地段時(shí)，圍巖變形明顯過大，現(xiàn)有支護(hù)已不能保證圍巖穩(wěn)定，并出現(xiàn)冒頂事故。常規(guī)錨噴網(wǎng)支護(hù)失效，需及時(shí)進(jìn)行工程加固。

1.1 錨索加固方案

對(duì)于巷道頂板深部有穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層的區(qū)段，且頂板無淋水時(shí)，可采用7.5～10m長的錨索垂直錨入頂板巖層加固（圖1）。錨索長度應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層的空間位置確定，一般要求錨索應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層2m以上，錨固力應(yīng)達(dá)到300kN以上。錨索安裝完成后，應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力，其值為初錨固力的50％以上。頂板錨索采用梅花形布置，每個(gè)斷面在頂板設(shè)2～3根錨索。

圖1 錨索加固方案Fig.1 Anchor reinforcement

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，2-2上回風(fēng)大巷變形量較大，2-2上輔運(yùn)大巷淋水嚴(yán)重變形有擴(kuò)大趨勢(shì)，對(duì)于頂板破碎及片幫較嚴(yán)重地段應(yīng)進(jìn)行錨索加長加密，加厚噴射混凝土厚度。

1.2 錨索桁架加固方案

對(duì)于巷道頂板沒有穩(wěn)定堅(jiān)硬巖層的區(qū)段，且頂板無淋水時(shí)，巷道頂板已經(jīng)出現(xiàn)輕度離層，并發(fā)生輕度彎曲變形，此時(shí)可采用錨索桁架加固方案（圖2）。

圖2 錨索桁架加固方案Fig.2 Anchor reinforcement truss

錨索桁架是由兩根或多根傾斜錨索和拉桿組成的加固體系。當(dāng)上緊錨索的索具后，隨著頂板變形在頂板巖層中形成了水平和垂直方向的擠壓應(yīng)力區(qū)，增強(qiáng)了頂板巖層的抗彎能力，提高了頂板的穩(wěn)定性。本加固方案采用兩根斜拉錨索，其長度10m，傾角45°，錨固力應(yīng)達(dá)到350kN；拉桿采用WD275型鋼帶，其展開寬度295mm，厚度4mm，成型高度32mm，長度根據(jù)巷道寬度確定。

由于2-2上回風(fēng)大巷、順槽圍巖條件差，頂板巖性以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，局部為中砂巖，有輕度離層現(xiàn)象，適宜采用錨索桁架加固，對(duì)于出現(xiàn)離層地段，根據(jù)巷道寬度定做相應(yīng)桁架，進(jìn)行錨索桁架加固支護(hù)。

1.3 鋼管混凝土支架加固方案

對(duì)于巷道頂板已出現(xiàn)明顯離層，或發(fā)生顯著彎曲變形，或巷道圍巖有滲水時(shí)，可采用鋼管混凝土支架加固方案（圖3）。

研究結(jié)果表明，鋼管混凝土支架與用鋼量相同的U型鋼支架、工字鋼金屬支架相比，其承載能力可提高2～3倍。鋼管混凝土架棚具有施工簡(jiǎn)便，承載力大的優(yōu)點(diǎn)，適用于壓應(yīng)力較大地段。

鋼管混凝土支架由三段鋼管通過法蘭盤連接組成，鋼管直徑和壁厚由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和加固段壓力、變形情況，經(jīng)分析計(jì)算確定。頂部放置1m長的工字鋼，以實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土支架與巷道頂板的緊密接觸和面接觸。

圖3 鋼管混凝土支架加固方案Fig.3 Concrete reinforcement steel stent

施工方法為：結(jié)合所需加固地段的巷道斷面形狀彎制鉆孔后的鋼管，鉆孔位置由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和施工方便決定；在井下組裝鋼管混凝土支架，然后采用混凝土泵向鋼管中灌注混凝土。施工時(shí)，一定確保灌入鋼管內(nèi)的混凝土密實(shí)。

1.4 局部T字梁加固方案

對(duì)于皮帶運(yùn)輸巷等不通行運(yùn)輸車輛的巷道，可采用局部T字梁加固方案（圖4）。T字梁加固方案施工簡(jiǎn)便，且便于實(shí)施二次加固。當(dāng)巷道受動(dòng)壓影響來壓時(shí)，T字梁變形與破壞可及時(shí)觀察到，便于及時(shí)采取加固措施，保證不出現(xiàn)重大安全事故。

施工方法為結(jié)合所需加固地段的巷道斷面形狀設(shè)置T字梁的寬度及高度，型鋼的材料、規(guī)格由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和加固段壓力、變形情況經(jīng)分析計(jì)算確定。

圖4 T字梁加固方案Fig.4 T-beam reinforcement

1.5 鋼棚加固方案

對(duì)于2-2上輔運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷已掘矩型斷面，由于圍巖條件差，受主壓力較大，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，巷道變形量較大，對(duì)已掘進(jìn)斷面（回風(fēng)大巷1700m前、輔運(yùn)大巷950m前）還可采用鋼棚二次加固方案（圖5）。特殊地段采用鋼棚加固支護(hù)達(dá)到永久支護(hù)的目的，頂板過于破碎應(yīng)打管棚超前臨時(shí)支護(hù)，棚與棚之間使用槽鋼連鎖，形成整體，棚距1m。

在軟巖地層中掘進(jìn)的煤巷多為矩形，幫角在開掘卸載后是應(yīng)力集中點(diǎn)，地應(yīng)力增大時(shí)塑性區(qū)先從幫角開始，進(jìn)而兩幫破壞。加固幫角避免幫角處過早破壞而引起巷幫及底板的較大變形。加固幫角控制底鼓的效果有時(shí)甚至超過直接處理。因此在聯(lián)絡(luò)巷、順槽等開口、透口位置2m范圍內(nèi)采用螺紋鋼錨桿、鋼帶、菱形鉛絲網(wǎng)進(jìn)行包角，加固幫角從而控制圍巖穩(wěn)定。

圖5 鋼棚加固方案Fig.5 Steel shed reinforcement

2 運(yùn)輸大巷加固數(shù)值計(jì)算

本次計(jì)算使用有限元模擬軟件 ADINA，采用地層-結(jié)構(gòu)模型，按照平面應(yīng)變處理，主要分析巷道開挖掘進(jìn)之后圍巖的應(yīng)力分布和變形情況，鋼支架和混凝土噴層聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化情況，分析判斷出支護(hù)結(jié)構(gòu)是否和圍巖變形耦合，工作狀態(tài)是否滿足支護(hù)的強(qiáng)度和剛度要求［3］。

巷道開挖的影響范圍一般是5D（D是巷道跨度或巷道直徑）。這里巷道跨度大約為4m，巷道開挖的影響范圍是20m。因此模型的上方和左右方各取20m，下方取30m。所以本模型尺寸為寬 ×高=20m×30m。網(wǎng)格劃分如圖6所示。

模型邊界采用齊次邊界條件，上部邊界取為自由面，下部邊界取為固定邊界，左右邊界巖體沿x方向的位移被約束。

巖體材料和鋼支架下方的混凝土基礎(chǔ)墩采用實(shí)體單元，鋼支架采用梁?jiǎn)卧?，混凝土噴層采用襯砌單元模擬。地層和結(jié)構(gòu)單元特性參數(shù)見表1［4］。

圍巖頂板下沉變形5.657cm，超過預(yù)留的5cm，可以做適當(dāng)調(diào)整；兩幫擠入變形3.435mm，在預(yù)留的5cm變形量以內(nèi)，底板隆起變形1.346cm，可以對(duì)底板進(jìn)行處理。

在比較接近實(shí)際的鋼支架與圍巖存在空隙的工況下，圍巖的變形量基本都在預(yù)留的5cm變形量以內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)分別為6.82和2.00，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足剛度和強(qiáng)度要求［5］。

表1 地層和結(jié)構(gòu)單元特性表Table 1 Stratigraphic and structural characteristics of the table unit

表2 巷道表面部分點(diǎn)應(yīng)力加固前后比較Table 2 Roadway excavation of the surface part of the poin t of stress before and after

圖6 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分Fig.6 Calculation model and meshing

表3 巷道圍巖變形加固前后對(duì)比Table 3 Com parison before and after reinforcement

3 運(yùn)輸大巷軟巖段變形監(jiān)測(cè)

巷道圍巖活動(dòng)的主要表現(xiàn)是頂板離層，下沉，冒落，兩幫片幫，滑移，底板鼓起等。特別是錨桿支護(hù)巷道活動(dòng)狀況的隱蔽性，其破壞失穩(wěn)一般沒有明顯的預(yù)兆，不易被人們察覺，破壞往往具有突發(fā)性。巷道頂板一旦發(fā)生冒頂，并且多數(shù)情況下規(guī)模較大，其危害性較為嚴(yán)重，巷道兩幫的失穩(wěn)造成煤幫大面積滑落，也易于誘使頂板冒落［6］。

2-2上運(yùn)輸大巷測(cè)量數(shù)據(jù)。斷面位置以2號(hào)點(diǎn)為起點(diǎn)，向前1852.4m。頂板為泥巖，進(jìn)入拱形斷面位置，局部出現(xiàn)碎頂、片幫現(xiàn)象。斷面形式為矩形斷面，滲水現(xiàn)象嚴(yán)重，加設(shè)了鋼架支護(hù)。

巷道加固前后對(duì)比見表2，表3；加固后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7～10；監(jiān)測(cè)儀器見表4。

表4 監(jiān)測(cè)儀器Table 4 Monitoring Instruments

圖7 測(cè)面頂板下沉變化量Fig.7 Changes in the am ount of subsidence

圖8 測(cè)面頂板下沉變化速率Fig.8 Subsidence rate of change

YS（B）鉆孔窺視儀在煤層頂板小孔徑鉆孔中可用于煤巖識(shí)別以及裂隙觀察。使用YS（B）鉆孔窺視儀在2-2上，2-2中兩巷道進(jìn)行鉆孔觀測(cè)，在鉆孔觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，由于滲水嚴(yán)重，頂板及周圍軟巖層已經(jīng)變成泥層，所以對(duì)支護(hù)密封要求較高。又因?yàn)檐泿r層變化為泥漿層，鉆孔深度沒有達(dá)到很深，大概2m左右，所以沒有更深入的觀察內(nèi)部情況。在觀測(cè)成果圖片中，可以清楚的看到巖層裂隙的位置與巖層界面的情況，便于現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)了解圍巖情況［7］。

圖9 測(cè)面兩幫收斂變化量Fig.9 Changes in the amount of subsidence

圖10 測(cè)面兩幫收斂變化速率Fig.10 Subsidence rate of change

巷道頂板和左右?guī)偷淖冃味荚陬A(yù)留的50mm左右，說明初期支護(hù)方式勉強(qiáng)滿足強(qiáng)度和剛度要求，在軟巖段，有冒頂現(xiàn)象出現(xiàn)，需要對(duì)其支護(hù)進(jìn)行加固，開挖支護(hù)后頂板最先穩(wěn)定，大約需要20～25 d，位置距離掌子面大于50m，其后是兩幫和底板，大約需要30～35 d；底板的變形比較小，在鋪底段，底鼓現(xiàn)象極其微小。

4 結(jié)論

本文根據(jù)工程地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和長期圍巖變形監(jiān)測(cè)，結(jié)合已建巷道軟巖段的施工記錄從而制定了加固支護(hù)方案。應(yīng)用ADINA有限元軟件，分析了高家梁礦運(yùn)輸大巷開挖后的圍巖應(yīng)力變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，得出的主要結(jié)論：

（1）根據(jù)高家梁運(yùn)輸大巷實(shí)際破損情況，設(shè)計(jì)了5種加固方案，以便在不同工況中使用；

（2）高家梁礦運(yùn)輸大巷圍巖情況大體良好，但低強(qiáng)度易風(fēng)化軟巖段區(qū)域掘進(jìn)條件惡劣，支護(hù)難度大，應(yīng)采取密切的離層觀測(cè)；

（3）數(shù)值模擬驗(yàn)算表明支架與圍巖應(yīng)緊密接觸，使得支架與混凝土噴層同步工作，支架承受較大彎矩，噴層承受較大軸力；

（4）高家梁礦運(yùn)輸大巷工程加固之后的監(jiān)測(cè)曲線說明：運(yùn)輸大巷的加固措施滿足強(qiáng)度和剛度要求；運(yùn)輸大巷開挖后巷道頂板最先變形且變形程度最大，其后是兩幫，最后是底板，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示巷道穩(wěn)定是在25～30d，因此巷道的復(fù)噴時(shí)機(jī)可以選擇在20～25d。

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