屯蘭礦軟巖巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究

侯運(yùn)炳，高振亮,，于 輝，趙云軒,陳林林

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083; 2. 山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司, 山西 太原 030002)

屯蘭礦12501運(yùn)輸巷道圍巖破碎，巷道斷面大，由于受掘進(jìn)及煤柱支承壓力影響，掘進(jìn)期間巷道變形強(qiáng)烈，兩幫位移量和頂?shù)装逦灰屏慷己艽?，?yán)重影響了巷道的使用。依據(jù)該巷道地質(zhì)條件及巷道布置情況，提出了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案[1-3]，并對(duì)試驗(yàn)段巷道進(jìn)行了礦壓觀測(cè)。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 礦井地質(zhì)概況

屯蘭煤礦位于呂梁-太行斷塊五臺(tái)山塊隆古交向斜的南部，俗稱太原西山向斜。其西部為呂梁山復(fù)式背斜，東部為山西 斷陷盆地系中部的太原-晉中盆地。井田內(nèi)地層走向30～60°，傾向南西，傾角2～15°，呈北北東向南南西傾伏的波浪狀單斜構(gòu)造。有少量寬緩褶皺，但次一級(jí)小型波狀褶曲發(fā)育。斷層較多且成組出現(xiàn)，本井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為簡(jiǎn)單～中等。

1.2 煤層及頂?shù)装迩闆r

2#煤層均厚為4.25m，屬較穩(wěn)定的厚煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裂隙較發(fā)育，平均傾角2.5°，最大為6°，為近水平煤層。煤層頂板以薄層狀的粉砂巖和泥巖為主，并夾雜砂質(zhì)泥巖互層。巖性松軟，機(jī)械強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬不穩(wěn)定頂板；底板以碳質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖為主，局部為3#煤層，富含植物根須化石，較松軟，遇水易膨脹，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，為不穩(wěn)定底板巖層。

1.3 巷道布置

12501工作面運(yùn)輸巷道位于南五盤區(qū)，北西與南五軌道巷和南五膠帶巷相接，北與白草塔保護(hù)煤柱相鄰，北東與南四采區(qū)相鄰，南東與土地溝斷層保護(hù)煤柱相接，南西與12503工作面采空區(qū)相鄰。巷道凈寬4.8m，凈高3.5m，矩形斷面，斷面面積16.8m2，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1596m，沿2#煤層頂板掘進(jìn)。

1.4 巷道變形破壞情況

12501巷道由于頂板巖層完整性差、裂隙發(fā)育，底板松軟易膨脹，掘進(jìn)過程中巷道礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，表現(xiàn)為頂板破碎形成網(wǎng)兜、頂板和幫部變形量大，根據(jù)1個(gè)多月的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在無支護(hù)情況下，兩幫移近量最大達(dá)302mm，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)252mm，且有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了正常使用，因此迫切需要進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)。

2 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案

依據(jù)該巷道地質(zhì)條件及巷道布置情況，考慮軟巖巷道圍巖變形的特殊性，提出了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案。

2.1 頂板支護(hù)

頂板支護(hù)設(shè)計(jì)采用“錨桿+錨索+8#菱形金屬網(wǎng)+Φ16圓鋼托架”的聯(lián)合支護(hù)方式。頂錨桿采用Φ22mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1800mm×950mm，采用兩卷樹脂藥卷錨固，一卷CK2380在上，一卷K2380在下錨固，預(yù)緊扭矩不小于200N·m。頂錨索型號(hào)為Φ21.6×6300mm，錨索間排距為1800mm×950mm，三根三根交錯(cuò)布置，均打設(shè)到托架眼里。頂網(wǎng)采用Φ16圓鋼托架加8#菱形金屬網(wǎng)。

2.2 巷幫支護(hù)

兩幫采用“錨桿+8#菱形金屬網(wǎng)+Φ10圓鋼托架”的支護(hù)方式，靠采空區(qū)幫打設(shè)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。幫錨桿采用Φ20×1800mm的螺紋鋼錨桿，間、排距為800mm×950mm，采用一卷CK2380藥卷錨固，預(yù)緊扭矩不小于150N·m，錨桿錨固力不小于105kN?？坎煽諈^(qū)巷幫錨索采用Φ17.8mm×4000mm，間排距為2490mm×1900mm，按每2排打1根，用Φ10圓鋼托架首尾相連，三花布置。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

針對(duì)屯蘭礦的地質(zhì)采礦條件，根據(jù)采礦工程問題特點(diǎn)，建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型。由巖石力學(xué)理論可知，巷道掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力重新分布，受支承應(yīng)力影響范圍約為巷道半徑的5倍左右。為了盡可能小地避免邊界效應(yīng)，模型尺寸取50m×150m×60m，模型左右邊界約束為u=0，v≠0，下部邊界約束為u=v=0(其中u為水平位移、v為垂直位移)，上部邊界施加垂直載荷模擬上覆巖層底重量[4-5]。計(jì)算模型見圖1，計(jì)算所采用的圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值分析計(jì)算模型

表1 模型巖層力學(xué)參數(shù)

巖性容重/(kg·m-3)體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa黏結(jié)力/MPa內(nèi)摩擦角/°細(xì)砂巖25804.472.180.601.3635中粗砂巖26334.401.840.681.2530煤14470.800.40.300.5023砂質(zhì)泥巖25634.742.710.500.8026泥巖25753.071.660.450.7024

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 圍巖應(yīng)力分布特征

在光源的選擇上，首先需要考慮激光的波長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響.如圖7所示，分別以常用的中心波長(zhǎng)為325 nm、488 nm和632 nm的單色激光作為光源，在matlab中畫出歸一化光強(qiáng)隨腔長(zhǎng)變化的曲線.根據(jù)式(2)可得，光強(qiáng)的極大值和極小值分別為

圖2、圖3分別為巷道開挖并施加錨網(wǎng)索支護(hù)后垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力圖，從圖2、圖3中可以看出:巷道掘進(jìn)后，原有的應(yīng)力平衡被打破，圍巖應(yīng)力重新分布。垂直應(yīng)力在巷道兩幫形成應(yīng)力集中，兩幫錨桿對(duì)煤壁起到擠壓錨固作用，而錨網(wǎng)又可以將錨桿之間的非錨固巖層載荷傳給錨桿，使巷道錨固體仍保持三向應(yīng)力狀態(tài)，提高了煤體強(qiáng)度，因而在兩幫邊緣并未發(fā)生大的塑性破壞。由于巷道底板較軟且沒有實(shí)施支護(hù)，水平應(yīng)力集中區(qū)向底板深處傳播，與巷道距離較頂板更遠(yuǎn)。

3.2.2 圍巖變形特征

圖4、圖5分別為巷道開挖并施加錨網(wǎng)索支護(hù)后垂直位移和水平位移圖，由圖4、圖5可以看出: 施加錨網(wǎng)索支護(hù)體系后，巷道圍巖得到加固，圍巖變形量不大，頂板最大垂直位移僅為10.6mm，底板最大垂直位移為12.5mm，巷道兩幫水平位移僅為35mm，變形量很小，表明圍巖得到了很好的控制。

4 礦壓監(jiān)測(cè)及分析

4.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

本次礦壓觀測(cè)內(nèi)容主要有巷道表面位移監(jiān)測(cè)、巷道頂板深部位移監(jiān)測(cè)。在巷道試驗(yàn)段共布置5個(gè)測(cè)站，分別距12501運(yùn)輸巷道巷口162m、270m、358m、415m、615m。測(cè)站地點(diǎn)的選取既要反映一般條件下巷道收斂量，又要反映圍巖破碎段的巷道收斂量。

圖2 垂直應(yīng)力云圖

圖3 水平應(yīng)力云圖

圖4 垂直位移云圖

圖5 水平位移云圖

1)巷道表面位移監(jiān)測(cè)。表面位移監(jiān)測(cè)采用“十”字布點(diǎn)法[6-8]，用測(cè)桿和鋼卷尺進(jìn)行測(cè)讀。

2)巷道頂板深部位移監(jiān)測(cè)。頂板深部位移監(jiān)測(cè)采用四基點(diǎn)機(jī)械式深基點(diǎn)位移計(jì)，孔內(nèi)基點(diǎn)位置分別距孔口1.2m、2.5m、4m、8m共四處。

4.2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)5個(gè)測(cè)站的表面位移量觀測(cè)45天后，巷道圍巖基本不再受掘進(jìn)影響，圍巖變形趨于穩(wěn)定。

由表2可知，12501運(yùn)輸巷道掘進(jìn)期間，巷道試驗(yàn)段圍巖變形量較小，巷道頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?1mm，兩幫最大位移量為43mm，巷道穩(wěn)定后頂?shù)装寮皟蓭鸵平俣染陀?.5mm/d，這表明錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)有效降低了巷道變形量，使巷道保持穩(wěn)定。

4.2.2 巷道頂板深部位移分析

通過深基點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)巷道頂板深部位移，在對(duì)5個(gè)測(cè)站進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)45天后，得出巷道掘進(jìn)期間圍巖深部變形情況，見表3。

由表3可知，巷道頂板淺部變形較深部變形大，0～1.2m處位移量約為6mm，而4～8m處位移量?jī)H為1mm左右，這說明頂板變形主要發(fā)生在淺部巖層，表明錨索支護(hù)對(duì)深部圍巖控制作用顯著。

4.3 礦壓監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)實(shí)施錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案后的巷道進(jìn)行數(shù)值模擬分析及礦壓觀測(cè)，并與無支護(hù)下的巷道變形量進(jìn)行對(duì)比分析，如表4所示?？梢钥闯?，在實(shí)施支護(hù)前，巷道變形量很大，嚴(yán)重影響巷道穩(wěn)定，實(shí)施錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)后，頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤３衷谳^低水平，且數(shù)值模擬分析得出的變形量和礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果比較相近，表明錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以有效地控制軟巖巷道的圍巖變形。

表2 掘進(jìn)期間巷道表面位移統(tǒng)計(jì)

表3 掘進(jìn)期間巷道頂板深部位移統(tǒng)計(jì)

表4 巷道變形量對(duì)比分析

5 結(jié)論

1)無巷道支護(hù)時(shí)，巷道變形量很大，根據(jù)1個(gè)多月的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，兩幫移近量最大達(dá)302mm，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)252mm，且有進(jìn)一步增大的趨勢(shì)，巷道難以保持穩(wěn)定，因而提出了錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案。

2) 對(duì)實(shí)施錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案后的巷道進(jìn)行數(shù)值模擬分析及礦壓觀測(cè)，得到的巷道圍巖變形量比較相近，均保持在較低水平，在觀測(cè)期內(nèi)，頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?1mm，兩幫最大位移量為43mm，巷道變形趨于穩(wěn)定。

3) 頂板深部位移分析表明巷道頂板變形主要發(fā)生在淺部，深部位移量小，說明錨索能有效控制頂板深部破壞，錨索和錨桿相匹配可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合支護(hù)。

4) 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以有效地控制軟巖巷道的圍巖變形，為類似條件下的巷道支護(hù)，提供了一種可行的技術(shù)參考。

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