高應力軟巖回采巷道支護技術(shù)研究

曹永國，王俊超

(1.四川廣旺能源發(fā)展(集團)有限責任公司，四川 廣元 628000;2.四川廣旺集團船景煤業(yè)有限責任公司，四川 宜賓 645250)

四川廣旺集團船景煤礦是年產(chǎn)150萬t/a的大型礦井，主要開采 2#、7#、8#煤層，煤層平均厚度 4.83 m，賦存穩(wěn)定，回采巷道均設(shè)于煤層中。1122運輸巷道埋深600 m，地應力較大，圍巖以泥巖為主，極易軟化，致使1122運輸巷發(fā)生嚴重的變形及破壞。因此，運輸巷合理的支護設(shè)計是礦井安全生產(chǎn)亟待解決的問題。

1 地質(zhì)特征

1122運輸巷道主要開采2#煤層，該煤層傾角為6°～12°，煤層厚度0.3 ～1.5 m，平均1.1 m。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含2層夾矸，賦存較為穩(wěn)定，巖性以泥巖或炭質(zhì)泥巖為主。直接頂巖性為泥巖，深灰色，厚層狀，中間夾粉細砂巖薄層，抗壓強度24.6 MPa。直接底為鋁土質(zhì)泥巖，淺灰色，遇水極易軟化，抗壓強度29.4 MPa，加上1122運輸巷埋深600 m，其自重應力為12.0 MPa，受周圍2條大斷層的影響，水平構(gòu)造應力測試得到 17.25 ～25.8 MPa，側(cè)壓系數(shù)達 1.46 ～2.15，可見 1122運輸巷圍巖性質(zhì)屬于高應力泥化軟巖［1－2］。

2 巷道變形破壞形式

1)頂板變形破壞情況。

頂板變形的主要形式是網(wǎng)兜現(xiàn)場比較嚴重，造成金屬網(wǎng)破裂。用于輔助支護的鋼筋梯是由普通螺紋鋼焊接的，整體強度不高，當遇到高強度來壓時容易造成焊接處斷裂，加上鋼筋梯與圍巖的接觸面積過小，柔性太大，不能支護高應力軟巖巷道。噴射的混凝土由于圍巖變形壓力作用導致開裂并脫落，錨桿索的螺母脫落及托盤的扭曲較嚴重，造成金屬網(wǎng)與托盤的連接破壞，錨索出現(xiàn)破斷現(xiàn)象。

2)兩幫的變形破壞狀況。

巷道掘出后的2個月內(nèi)，兩幫相對移近量高達300～400 mm，初期的變形速率甚至達到20 mm/d，特別是底板中部有明顯的鼓起，側(cè)墻的中下部存在不同破壞程度的片幫，尤其是幫腳處最嚴重。發(fā)生輕微的片幫時僅僅出現(xiàn)貫通性縱向的裂縫，然而遇到嚴重片幫就會出現(xiàn)離層，造成噴層沒有緊貼圍巖，從而扭曲了鋼筋網(wǎng)，造成頂板外露。

3)巷道的底鼓變形。

2#煤層底板主要以炭質(zhì)、鋁質(zhì)泥巖為主，極易吸水膨脹，由于施工過程中未對底板采取任何支護措施，致使底板的垂直應力急劇降低，而水平應力急劇增加，增加了應力偏量，一旦兩者的應力超過了巖層的屈服強度時，就會產(chǎn)生塑性變形，引起巷道底鼓。

利用LAC數(shù)值模擬軟件模擬計算巷道在沒有支護情況下，巷道圍巖應力、位移的變化情況，見圖1，2。

圖1 巷道破壞后應力矢量圖

圖2 巷道破壞后位移矢量圖

由圖1，2可知，巷道頂?shù)装鍛︶尫欧秶容^大，頂?shù)装宓蛻Ψ秶鸀?.4 m、6 m，兩幫出現(xiàn)明顯較大范圍的應力集中。頂部位移下沉不太明顯，最大位移量為0.20 m;兩幫位移變化不大，最大為0.15 m;最大位移出現(xiàn)在底板，最大位移量為0.51 m。

3 復雜圍巖大斷面受損動壓巷道變形破壞機制

3.1 巷道頂板圍巖變形破壞

頂板破壞主要是由較大的應力所致，造成頂板向深部破壞，加上煤層與巖層交界處及煤層之間產(chǎn)生的滑動，引起頂板向巷道內(nèi)部位移，致使頂板上下部巖層發(fā)生脫離，下部巖層就要單獨承受自身重量。由于煤層強度較低，使得兩肩以及兩底角壓應力較高，因此，在應力的重新平衡分布過程中就會在煤巖層交界處產(chǎn)生擠壓破壞及持續(xù)破壞，頂板就會發(fā)生嚴重變形失穩(wěn)。

3.2 巷道兩幫圍巖變形破壞

1122運輸巷因構(gòu)造應力作用破壞了原巖應力平衡狀態(tài)，在此過程中兩幫產(chǎn)生的裂紋逐漸向內(nèi)部擴展，加之兩幫煤體強度小于頂?shù)装鍘r層強度，極易發(fā)生破壞，失去支撐能力，使得兩幫形成一定范圍內(nèi)的破裂塑性區(qū)，減弱了支撐頂板的能力，并降低了頂板巖層的承載能［3］。因此，必須提高兩幫支護強度及殘余強度，進一步控制兩幫破裂塑形區(qū)的發(fā)展，增強兩幫對頂板的支撐作用，避免頂板離層。

3.3 巷道底板圍巖變形破壞

1122運輸巷直接底為鋁質(zhì)泥巖，由于在施工過程中未對其進行任何有效的支護，在受到水平應力以及彎曲應力作用后，發(fā)生膨脹破壞，釋放了部分水平應力。加上頂?shù)装鍘r層垂直于其層理方向的壓應力，受到三向應力，致使煤體被壓縮，導致底板變形鼓起。

4 1122運輸巷支護參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場變形范圍和數(shù)值分析，巷道圍巖破壞區(qū)大于1.5 m，屬于大松動圈，兼顧大多數(shù)回采巷道均采用錨網(wǎng)索耦合支護形式［4－5］，且采取減跨措施［6］，因此選擇錨網(wǎng)索耦合支護［7］，外加在巷道中線布置1排單體支柱。按照圍巖大松動圈的組合拱支護理論、懸吊理論以及非彈性區(qū)理論聯(lián)合設(shè)計，計算巷道錨桿支護基本參數(shù)如下:

巷道設(shè)計寬B=4.5 m，半跨度為寬度1/2:a=2.25 m，高 h=3.8 m，巷道埋深 H=600 m，內(nèi)摩擦角φ =30°，黏結(jié)強度 C=2.0 MPa，應力集中系數(shù) K=2.8，巖石重力密度取18 kN/m3，錨桿在巖體中的控制角α按照45°計算，錨桿外露長度l3取50 mm。

由錨桿直徑得出，錨孔直徑取值28 mm。

依據(jù)懸吊理論，錨索總長度:

式中:

L1—錨索錨固段長度，mm，取1000;

L2—錨索外露長度，mm，一般為 150～300，取300;

Lp—錨索有效長度，mm，取4000。

錨索的排距:

式中:

［σ?］—單根錨索的極限破斷力，kN，取350;

Kb—安全系數(shù)，通常取 1.8。

錨索的間距取巷道的拱肩之間的距離為2000 mm，排距實際取3000 mm。

頂幫部及幫腳均選用規(guī)格為d20 mm×2500 mm的高強度螺紋鋼系列錨桿，全長均為等強度，預緊力不低于70 kN，間排距800 mm×900 mm，使用規(guī)格為MSCK2350的樹脂藥卷2支進行端頭錨固，每組布置12根，拱頂布置4根，每根錨桿均垂直拱頂，左右?guī)筒慷疾贾?根錨桿;對于巷道關(guān)鍵部位處必須采用高預應力的錨索加強支護，錨索選用規(guī)格為d15.24 mm×5300 mm的雙股籠形錨索，端頭錨固(樹脂藥卷，2支MSCK2350)，強度級別達到1860 MPa，錨索長度5300 mm，巷道頂部2根錨索，間距2000 mm，排距3000 mm。金屬網(wǎng)選用d6.5 mm的冷拔絲焊接網(wǎng)編制，網(wǎng)片設(shè)計尺寸為長×寬=1100 mm×1400 mm，網(wǎng)格規(guī)格100 mm×100 mm。錨桿索的托盤設(shè)計尺寸100 mm×100 mm×8 mm及200 mm×200 mm×14 mm;W 鋼帶型號WD150－3.0，寬度150 mm，厚度3.0 mm，高度2000 mm，破斷力不低于320 kN。再在巷道中線處打2排DZ35型單體液壓支柱，起到減跨作用，增加錨網(wǎng)支護系統(tǒng)的可靠性，沿巷道中線布置2排，排距500 mm，行距1500 mm，每5根為1組，組距5000 mm。

數(shù)值模擬計算結(jié)果如下:

1)應力演化特征分析。

增加單體支柱和頂板錨索加強支護后巷道圍巖應力狀態(tài)有明顯的改善，應力矢量圖見圖3。由圖3可知，單體支柱支護的地方明顯出現(xiàn)高達5 MPa高應力區(qū)域，而幫部應力值也明顯增加到3.5 MPa，卻減小了頂?shù)装宓牡蛻^(qū)域，說明錨索錨固作用充分調(diào)動了深部巖層強度，大大增加了松散巖體強度，起到強頂固幫作用，尤其是單體支柱起到了“承上固下”的關(guān)鍵作用，降低了底板兩角剪應力值。

圖3 應力矢量圖

2)位移演化特征分析。

頂部錨桿索增強了對淺部的破碎巖塊的擠壓作用，同時減小了松動巖體傳遞給底板的壓力及頂板的巖層跨度，減少了頂板的離層位移。而單體液壓支柱支護作用又減少了底板的變形位移，達到了“撐頂控底”的作用，從而控制了巷道圍巖變形。其中，兩幫變形在0.05 m范圍內(nèi)，頂板變形在0.06 m范圍內(nèi)，但是在單體支柱兩側(cè)未控制的底板區(qū)域底板變形較大為0.13 m，位移矢量圖見圖4。

圖4 位移矢量圖

5 支護效果分析

為掌握支護試驗段圍巖變形特征以及巷道支護效果，對巷道圍巖的表面位移以及圍巖深部變形進行觀測。

1)表面位移的觀測數(shù)據(jù)分析。

巷道表面位移的觀測數(shù)據(jù)與時間變化曲線見圖5，6。

圖5 位移變化曲線圖

圖6 移近速度變化曲線圖

由圖5可以看出，頂?shù)装?、兩幫及底板移近量?0天走向基本穩(wěn)定，頂?shù)装?、兩幫及底板最大移近量分別為256 mm、168 mm、194 mm。頂?shù)装?、兩幫及底板移近量在?0天的平均變形速率分別為7.5 mm/d、5.25 mm/d、5.65 mm/d，最大變形速率為14.5 mm/d、11.0 mm/d、10.5 mm/d，初期變形速率均較大，隨著時間的延長，移近速率逐漸降低。在20天后，頂?shù)装濉蓭图暗装遄冃蔚钠骄俾蕿?1.3 mm/d、0.6 mm/d、1.2 mm/d。在掘巷支護初期受掘進工作面開挖影響，圍巖變形處于劇烈變形階段。隨著支護體與圍巖逐漸達到耦合，變形趨于平穩(wěn)。

2)頂板位移數(shù)據(jù)分析。

頂板多點位移觀測數(shù)據(jù)與時間變化曲線見圖7。由圖7可知，頂板2 m范圍內(nèi)位移變化量比較小，最大的累計變化量為13 mm，而2～8 m內(nèi)巖層位移量逐步開始增長，最大累計量為42 mm。說明2 m范圍內(nèi)頂板比較完好，而2～8 m內(nèi)有一定的位移，但相對比較穩(wěn)定，可以看出設(shè)計的支護方案有效地控制了巷道的頂板位移。

圖7 巷道圍巖內(nèi)部位移變化曲線圖

6 結(jié)論

1)高應力軟巖回采巷道變形破壞特征是頂肩及幫角處產(chǎn)生較大范圍的應力集中，而頂板及兩幫受到的應力又通過底板進行釋放，引起底鼓。因此，提出錨網(wǎng)索耦合支護外加單體液壓支柱的支護方案，減少底板壓力，降低頂板的巖層跨度，控制頂板撓曲變形;而單體液壓支柱施加給底板的作用力又可以減少底板位移，達到“撐頂控底”的作用，增加了對頂、底板的控制強度。

2)數(shù)值模擬表明，增加頂板錨桿(索)、幫部錨桿及應用單體支柱支護能夠有效地提高圍巖強度，降低塑性區(qū)范圍，控制了圍巖變形及保證了其穩(wěn)定性。

3)現(xiàn)場實踐表明，錨網(wǎng)索耦合支護外加單體液壓支柱的支護方案實施后，表面位移變化范圍正常，頂板下沉情況不明顯，錨桿、錨索補強作用顯著，頂板錨固狀況較好，保證了頂板巖層的整體性，有效地控制了圍巖變形，提高了巷道支護水平。

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