軟弱破碎巖巷支護(hù)參數(shù)的選擇及其效果分析

吳國雄，吳國飛

（同煤集團(tuán) 王坪煤電有限公司， 山西 懷仁 038300）

近年來，軟弱破碎巖巷支護(hù)倍受關(guān)注。巷道掘進(jìn)中，圍巖特性、原巖應(yīng)力、巷道支護(hù)是影響圍巖穩(wěn)定的三個(gè)主要因素[1-2]。軟弱破碎巷道的支護(hù)是在原巖應(yīng)力一定的情況下，通過改善圍巖特性和巷道支護(hù)形式來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)巷道經(jīng)過軟弱破碎帶時(shí)，圍巖整體性往往變差，強(qiáng)度不足，易出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫及頂板垮落現(xiàn)象[3]。對于此類問題，通常采用注漿支護(hù)方法，取得一定效果，但此往往會(huì)影響施工工期，增加工程成本[4-5]。例如，王坪礦運(yùn)輸大巷施工中遇到了穿越軟弱破碎帶，本文擬用數(shù)值模擬軟件對巷道原巖應(yīng)力分布狀況和塑性區(qū)范圍進(jìn)行分析，再用破碎圍巖經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式，確定合理支護(hù)參數(shù)，并對支護(hù)效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析和井下現(xiàn)場觀測礦壓。

1 工程背景

大同煤業(yè)王坪礦地處山梁溝谷地帶，梁峁發(fā)育，溝谷縱橫多呈“V”字形。404盤區(qū)南軌道運(yùn)輸石門主要承擔(dān)南翼采區(qū)行人、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水任務(wù)，運(yùn)輸大巷位于2號煤的下部，設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱形，斷面高4.9m，寬5.6m。巷道掘進(jìn)中將穿越的巖層主要為灰?guī)r、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、泥巖，且存在大量破碎構(gòu)造帶。巷道直接頂大多為粉砂巖，約3 m厚，強(qiáng)度較低；老頂為砂巖，厚約6.2 m；直接底為4 m厚的砂質(zhì)泥巖?？紤]到破碎構(gòu)造帶的存在，加之巷道圍巖巖性不一，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)又多處滲水的滴水實(shí)情，原計(jì)劃采用注漿支護(hù)，但考慮到工期及成本問題，擬通過設(shè)計(jì)合理的錨噴網(wǎng)支護(hù)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖的有效控制，達(dá)到注漿支護(hù)效果。

2 數(shù)值模擬方法及內(nèi)容

1）模型建立：根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料建立巷道模型的寬×高=60m×60m，模型中原巖測壓系數(shù)近似為1，原巖應(yīng)力為10MPa，采用平面應(yīng)變模型，巷道左右邊界受水平約束，上邊界自由受鉛垂應(yīng)力，底邊受鉛垂約束，模型采用庫侖摩爾模型，模型中巖石參數(shù),如表1所示。

表1 數(shù)值模擬巖體主要力學(xué)參數(shù)表

2）模擬結(jié)果分析：①巷道表面位移范圍。由圖1可知，在無支護(hù)情況下，巷道鉛垂位移變化較大，頂板下沉量較明顯，位移量大約80 mm，底板相對幫部發(fā)生了向上的位移，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，變形量約為40 mm。水平位移云（見圖2）表明兩幫發(fā)生移近，最大水平位移在幫部底板下方約2.2 m處和幫部頂板上方約1.2 m偏巷道中央約0.47 m處，巷道表面最大水平位移在巷道幫部中央左幫移近量約為40 mm，右?guī)图s為45mm。②巷道圍巖應(yīng)力分布。由圖3知，鉛垂應(yīng)力集中區(qū)主要分布在巷道的幫部，尤其是在巷道角處，底角集中程度高，頂板和底板為鉛垂應(yīng)力減小區(qū)，尤其是在底板下方區(qū)域，頂?shù)装灞砻驺U垂應(yīng)力為零，屬于自由表面（見圖4）。在巷道幫部表面水平應(yīng)力為零，在頂板中央存在小范圍水平應(yīng)力為零區(qū)域，而在底板，存在大約長軸為4.3 m、短軸為0.6 m的橢圓形拉應(yīng)力區(qū)（見圖5）。巷道的底角和幫部與頂板連接處存在大范圍的應(yīng)力集中區(qū)域，尤其是在巷道底角，最大剪應(yīng)力高達(dá)22 MPa。③危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍。由巷道圍巖危險(xiǎn)區(qū)域分布見圖6，巷道處于破碎巖體中時(shí)，巷道周邊拉應(yīng)力區(qū)域增大，應(yīng)力集中區(qū)域向巖體深部轉(zhuǎn)移，圍巖危險(xiǎn)區(qū)域增大，主要表現(xiàn)為兩幫大范圍的剪切破壞危險(xiǎn)區(qū)域，底板大范圍拉伸破壞危險(xiǎn)區(qū)域，兩底角存在深度剪切破壞危險(xiǎn)區(qū)域。

3 合理支護(hù)方案的確定

3.1 支護(hù)方案的設(shè)計(jì)

1）支護(hù)載荷的確定：

式中：b為頂板載荷高度，m；B為巷道掘進(jìn)荒寬，5.84 m；H為荒高，5.02 m；f為頂板巖石普氏系數(shù)，取6；ω為兩幫圍巖的似內(nèi)摩擦角，ωd=arctan(fd).代入數(shù)字算得：b=0.6.

頂板載荷集度：q=bγ=1.62t.

式中：γ為頂板容重，取27 kN/m3.

2）間、排距的確定：

式中：a為頂板錨桿的間、排距，m；F為錨桿錨固力，15 t；K 為安全系數(shù)，取 2。

3）錨固長度：

式中：l0為最小錨固長度，m；c為粘錨強(qiáng)度，取200MPa.

4）錨桿長度的確定：根據(jù)載荷體的懸吊要求，跨度為5.84 m的巷道頂板錨桿最小長度為：

式中：l1為錨桿外露長度，0.1 m；l2為載荷體高度，0.6 m；l3為深入穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中的最小長度，0.5 m。

3.2 巷道兩幫支護(hù)參數(shù)確定

巷道高度為5.02 m，寬度為5.84 m，頂板巖層平均容重27 kN/m3，下位1 m頂板巖體普氏系數(shù)取0，其上部頂板巖體普氏系數(shù)取6.0 mm；兩幫巖體內(nèi)摩擦角取30°，兩幫支護(hù)選用18 mm圓鋼錨桿或玻璃鋼錨桿（設(shè)計(jì)強(qiáng)度70 kN/根），樹脂藥卷粘結(jié)，粘結(jié)強(qiáng)度2.0 MPa。

式中：q為錨固體上所受的鉛垂載荷集度。

式中：Σh為下位軟弱頂板巖層厚度，1 m；b為巷道跨度，5.84 m；f為頂板巖體普氏系數(shù)；γ為頂板巖體平均容重，27 kN/m3；t3為可承載錨固體厚度，m。巷道等效跨度 b'=5.84+2×5.02×tan30°=11.6 mm。可承載錨固體厚度

式中：H為巷道高度，5.02m。

2）錨桿間排距a：

式中：p0錨桿的設(shè)計(jì)錨固力，a取1 m。

式中：C0為兩幫巖體的粘錨強(qiáng)度，MPa。錨固端錨桿影響區(qū)未重疊區(qū)厚度t2=0.5×1×tan45°=0.5 m。錨尾端錨桿影響區(qū)未重疊區(qū)厚度t4=0.5（a-0.2）cotα=0.4mm。式中：a為錨桿間、排距，1 m；α為錨固力影響角，°。于是t=t1+t2+t3+t4+t5=0.24+0.5+1+0.4+0.1=2.24 m。

式中：t為錨桿長度，m；t5為錨桿外露長度，根據(jù)錨桿施工工藝，一般為0.1 m。

4）錨固長度：t0=2t1=0.48 m；取 0.5 m.

式中：t1為粘錨力積聚段長度，m。錨桿長度2.40 m；錨桿間距1.00 m；錨桿排距1.00 m；錨固長度0.6 m；設(shè)計(jì)錨固力150 kN/根；預(yù)緊力50 kN/根。

3.3 支護(hù)方案

針對王坪礦運(yùn)輸大巷的具體情況，擬用錨噴網(wǎng)支護(hù)，具體參數(shù)為：錨桿間排距均為800 mm×800 mm，每排15根。錨索間排距1 000 mm×1 000 mm，每排5根。全斷面噴射120 mm厚C20混凝土，見圖7。

圖7 巷道支護(hù)斷面圖

3.4 支護(hù)方案的數(shù)值模擬

針對王坪礦運(yùn)輸大巷的錨噴網(wǎng)支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由圖8、圖9的位移云圖知，錨噴網(wǎng)支護(hù)后，巷道最大位移發(fā)生在距離兩幫1 m處的位置，呈條狀分布，因此巷道頂板變形較小。由圖10、圖11知，鉛垂應(yīng)力集中區(qū)主要分布在巷道頂部偏左，距離頂部距離約為2.7 m，頂板和底板為鉛垂應(yīng)力減小區(qū)，尤其是在底板下方區(qū)域。水平最大位移發(fā)生在拱角處，但由于頂板上方的錨桿和錨索表現(xiàn)為壓應(yīng)力，幫部錨桿表現(xiàn)為拉應(yīng)力，巷道變形較小。水平應(yīng)力集中區(qū)主要分布在距離巷道頂板偏右約1 m處，呈小三角形狀。綜合分析巷道圍巖的應(yīng)力、位移、危險(xiǎn)區(qū)域分布而言，巷道穿越破碎帶支護(hù)后的圍巖應(yīng)力分布均勻，巷道變形較小。

圖8 支護(hù)鉛垂位移云圖

圖9 支護(hù)水平位移云圖

圖10 支護(hù)水平應(yīng)力云圖

圖11 支護(hù)鉛垂應(yīng)力云圖

4 工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果

圖12 鉆孔應(yīng)力讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖13 位移計(jì)讀數(shù)隨時(shí)間變化曲線

為了驗(yàn)證支護(hù)方案的有效性，在巷道開始掘進(jìn)的同時(shí)，布置礦壓監(jiān)測站，觀測巷道頂板內(nèi)部和表面位移量及兩幫應(yīng)力變化情況，觀測結(jié)果見圖12和圖13。采用設(shè)計(jì)的錨噴網(wǎng)支護(hù)方案后，巷道頂板內(nèi)部最大變形量40 mm，且距離頂板表面呈減小趨勢，變形量基本控制在允許范圍內(nèi)。巷道兩幫應(yīng)力變化較小，最大應(yīng)力12 MPa，且距離兩幫表面呈減小趨勢，圍巖較穩(wěn)定?？蓾M足巖巷掘進(jìn)的基本要求，支護(hù)效果良好。

5 結(jié)束語

1）軟弱破碎巷道支護(hù)是煤礦掘進(jìn)中的一大難題。針對無支護(hù)時(shí)巷道圍巖分布工況，分析圍巖應(yīng)力、位移、危險(xiǎn)區(qū)域等分布情況，結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇合理的支護(hù)參數(shù)，可有效避免此類巷道支護(hù)需注漿的難題。2）利用數(shù)值模擬軟件對巷道無支護(hù)條件時(shí)的圍巖分布特征進(jìn)行分析，對了解巷道原巖應(yīng)力、設(shè)計(jì)支護(hù)方案、預(yù)計(jì)支護(hù)危險(xiǎn)區(qū)域很有裨益，可作為今后支護(hù)方案設(shè)計(jì)的一種輔助資料。3）數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)表明：采用設(shè)計(jì)的支護(hù)方案后，巷道頂?shù)装遄冃瘟枯^小，兩幫移近量控制在允許范圍內(nèi)，支護(hù)效果良好。

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