深埋大斷面半煤回采巷道圍巖控制技術(shù)研究

趙俊生

(西山煤電 (集團(tuán))有限責(zé)任公司安監(jiān)局，山西省太原市，030053)

對(duì)于深埋條件下的礦井，巷道圍巖長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)改變了圍巖特性，使得原來(lái)頂板為硬巖特性的巖石表現(xiàn)出了明顯的軟巖特征。同時(shí)，為了滿(mǎn)足綜采工作面的正常接替以及通風(fēng)、安全生產(chǎn)等要求，通常會(huì)在高應(yīng)力條件下布置大斷面半煤回采巷道，對(duì)于這類(lèi)特殊的巷道，一方面受高應(yīng)力大斷面的影響，圍巖變形量大、整體穩(wěn)定性差、難于支護(hù)；另一方面半煤回采巷道存在明顯的分層性特點(diǎn)，其煤層所處巷道斷面位置的不同直接導(dǎo)致了巷道周?chē)鷳?yīng)力及位移情況的改變。所以，針對(duì)此類(lèi)特殊巷道圍巖的控制技術(shù)研究具有特殊的意義。

本文結(jié)合陽(yáng)煤集團(tuán)五礦＋211m水平回采工作面的實(shí)際情況，分析了現(xiàn)場(chǎng)回采工作面巷道的破壞失穩(wěn)現(xiàn)象，提出巷道斷面頂角微拱形以及施加底角錨索綜合治理的圍巖控制方案，采用FlAC3D數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)比分析新舊支護(hù)方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證其合理性。

1 工程概況

陽(yáng)煤五礦趙家分區(qū)回采工作面位于井下＋211m水平，其地面標(biāo)高為＋1040m，埋深在830m左右?；夭上锏姥?5＃煤層破底掘進(jìn)，在掘進(jìn)過(guò)程中揭露的主要煤巖層有煤、砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)顆砂巖等。15＃煤層平均厚度為6.2m，賦存情況呈單斜構(gòu)造，總體形態(tài)呈西北高東南低，煤層傾角2°～11°。回采巷道斷面尺寸為5.0m×3.5m (寬×高)，對(duì)原支護(hù)方案條件下巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)表明:巷道頂板發(fā)生離層破壞，存在片幫及整體下沉現(xiàn)象，頂?shù)装逡平?50mm，兩幫移近量200mm，底板上產(chǎn)生較大的底臌量，整體巷道收斂變形比較嚴(yán)重。

2 巷道變形破壞原因分析

(1)巷道頂板巖性的變化。半煤巖巷屬穿層巷道，其頂板巖層往往具有差異性，差異性的存在導(dǎo)致巖層之間粘結(jié)力小、結(jié)構(gòu)面發(fā)育，不易形成承載結(jié)構(gòu)。特別是在深埋條件下，高應(yīng)力作用使得一些硬巖特性的巖石轉(zhuǎn)化為軟巖特性，巖石強(qiáng)度降低。

(2)巷道斷面形狀的影響?；夭上锏缹儆跍?zhǔn)備巷道，服務(wù)年限在3a左右，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中支護(hù)強(qiáng)度要求相對(duì)較低。原支護(hù)方案中，巷道采用了面積為17.5m2的矩形斷面，相對(duì)于其它斷面，矩形巷道的頂角處應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，同時(shí)較大的斷面面積也加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象，這將直接導(dǎo)致頂板在頂角處發(fā)生破壞，不能充分發(fā)揮頂板的自然成拱作用，頂板較難維護(hù)。

(3)支護(hù)方式與地質(zhì)條件不適應(yīng)。對(duì)現(xiàn)有地質(zhì)資料分析表明，巷道掘進(jìn)需穿越褶皺帶，較大的構(gòu)造應(yīng)力使得單純的錨桿支護(hù)不能滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的要求，通常情況下需要補(bǔ)打錨索，現(xiàn)場(chǎng)由于錨索支護(hù)時(shí)間不及時(shí)造成圍巖松動(dòng)圈進(jìn)一步擴(kuò)大。對(duì)頂板不同深度進(jìn)行鉆孔窺視，發(fā)現(xiàn)距頂板上方5.4m處存在局部破碎現(xiàn)象，原設(shè)計(jì)方案中錨索的錨固著力點(diǎn)均位于此破碎區(qū)，而不是打入穩(wěn)定的巖層，錨桿與錨索起不到懸吊作用。另外，巷道開(kāi)挖后，原方案未對(duì)底板支護(hù)，使底板成為巷道中最薄弱的地方，垂直地應(yīng)力通過(guò)兩幫的傳遞產(chǎn)生較大的水平應(yīng)力沿底板釋放，造成底臌現(xiàn)象。

3 支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)分別對(duì)原支護(hù)方案(矩形斷面＋錨桿錨索)與新支護(hù)方案 (矩形斷面頂角微拱形＋錨桿錨索＋底角錨索)支護(hù)下的圍巖塑性區(qū)范圍、位移矢量分布形態(tài)、垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布以及錨桿受力情況分析從而優(yōu)化支護(hù)方案。

3.1 支護(hù)方案的提出

回采巷道開(kāi)挖后形成圍巖松動(dòng)圈。圍巖松動(dòng)圈的范圍越大，支護(hù)越困難。錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)可增加圍巖承載能力。其中錨桿在形成大剛度組合梁承載結(jié)構(gòu)及控制裂隙方面起到重要作用，錨索則將錨桿形成的淺部承載體系與深部更為穩(wěn)定巖層相連形成范圍更廣的承載體，增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度，利于巷道圍巖的穩(wěn)定。因此，以擠壓加固和懸吊組合機(jī)理為基礎(chǔ)，根據(jù)《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》圍巖松動(dòng)圈分類(lèi)及錨噴支護(hù)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的選取。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)回采巷道破壞原因的分析，在深埋大斷面軟弱頂板的條件下，對(duì)于這類(lèi)半煤巖巷提出了新方案，一方面在矩形斷面的基礎(chǔ)上將兩頂角處改為微拱形，另一方面調(diào)整錨桿錨索長(zhǎng)度使錨固點(diǎn)打入穩(wěn)定巖層，同時(shí)考慮底板支護(hù)在底角處施加底角錨索。原支護(hù)方案支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 矩形斷面支護(hù)方案 (方案Ⅰ)

圖2 頂角微拱形支護(hù)方案圖 (方案Ⅱ)

原支護(hù)方案頂錨桿間排距800mm×900mm，幫錨桿間排距1000mm×900mm，錨桿均采用?22mm×2200mm的普通螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，頂錨索規(guī)格為?17.8mm×5200mm，間排距為2000 mm×1800mm。新支護(hù)方案參數(shù)見(jiàn)圖2，其中錨桿規(guī)格調(diào)整為?22mm×2400mm，頂錨索的規(guī)格調(diào)整為?17.8mm×6000mm，沒(méi)有改變間排距；底角錨索與水平夾角呈45°，其規(guī)格為?17.8mm×6000mm；兩個(gè)微拱形半徑均為500mm，并在每個(gè)微拱形中央施加錨桿。

3.2 模型建立

所建模型為55m×40.5m×2.7m (長(zhǎng)×高×寬)，模型共有6750個(gè)單元。圍巖模擬采用庫(kù)倫-摩爾本構(gòu)模型，約束模型的左右邊界及底邊界，模型上邊界為施加20MPa垂直荷載的自由面，陽(yáng)煤五礦趙家分區(qū)回采工作面半煤回采巷道圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型內(nèi)各巖層賦存特征及力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)分別對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行模擬并分析模擬結(jié)果。方案Ⅰ為原支護(hù)方案(矩形斷面＋錨桿錨索)；方案Ⅱ?yàn)樾轮ёo(hù)方案 (矩形斷面頂角微拱形＋錨桿錨索＋底角錨索)。

3.3.1 塑性區(qū)范圍

在方案Ⅰ支護(hù)條件下，巷道圍巖塑性破壞區(qū)主要為剪切破壞，局部為拉伸破壞，特別是沿著巷道兩個(gè)頂角塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至延伸至老頂區(qū)域，巷道兩幫存在拉伸破壞，可見(jiàn)原支護(hù)條件下巷道變形破壞范圍大，兩幫破壞，影響正常生產(chǎn)。相比方案Ⅰ，方案Ⅱ?qū)⑺苄云茐膮^(qū)控制在直接頂?shù)姆秶鷥?nèi)，圍巖受力情況有明顯的好轉(zhuǎn)。

3.3.2 位移矢量模擬結(jié)果

(1)方案Ⅰ巷道頂角處的位移量大于方案Ⅱ頂角處的位移量，說(shuō)明方案Ⅰ在頂角處更容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)方案Ⅱ中，巷道頂角改為微拱形后，巷道圍巖巖體位移減小，巷道基本維持原有形狀，變形不嚴(yán)重。

3.3.3 圍巖垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力模擬結(jié)果

(1)方案Ⅰ與方案Ⅱ垂直應(yīng)力分布的應(yīng)力值基本不變，在巷道的4個(gè)角處均有不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，距巷道兩幫4m處應(yīng)力集中系數(shù)最大，最大垂直應(yīng)力值為26MPa；距離巷道兩幫8m處，垂直應(yīng)力恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

(2)方案Ⅰ在巷道的頂板和底板存在一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，說(shuō)明頂板與底板發(fā)生破壞；而方案Ⅱ中底板受到的拉應(yīng)力減小，頂板也不存在拉應(yīng)力區(qū)。

(3)巷道開(kāi)挖后發(fā)生應(yīng)力重新分布，就應(yīng)力集中程度而言，方案Ⅰ的應(yīng)力集中系數(shù)大約為方案Ⅱ應(yīng)力集中系數(shù)的1.5倍；從圍巖水平應(yīng)力分布情況分析，方案Ⅰ采用的矩形巷道斷面應(yīng)力分布更為集中，不利于巷道維護(hù)，而方案Ⅱ采用的頂角微拱形應(yīng)力分布較為均勻。

3.3.4 錨桿受力情況

數(shù)值模擬結(jié)果表明，方案Ⅱ?qū)⒕匦螖嗝鎯蓚€(gè)頂角處改為微拱形、調(diào)整頂板錨索長(zhǎng)度并施加底角錨索后，使得錨桿錨索與圍巖形成更為穩(wěn)定的承載系統(tǒng)，受力更好，承載能力較強(qiáng)；就錨桿錨索受力而言，方案Ⅰ與方案Ⅱ錨桿均受拉應(yīng)力且受力均勻，而方案Ⅰ相比方案Ⅱ還存在較大范圍的錨桿受壓現(xiàn)象，這也是應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)大的緣故；同時(shí)，方案Ⅱ中巷道頂?shù)滓平恳蚕鄬?duì)較小，圍巖穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)兩種方案數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，方案Ⅱ采用的矩形斷面頂角微拱形＋錨桿錨索＋底角錨索的聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)使得巷道頂角處應(yīng)力程度降低、圍巖應(yīng)力分布均勻、底臌量較小、圍巖強(qiáng)度明顯改善，巷道更易維護(hù)。

3.4 圍巖控制優(yōu)化措施

深埋大斷面軟弱頂板的半煤巖巷不僅受到高應(yīng)力影響，還受到斷面大小、形狀以及巖層分層的影響。這些綜合因素直接導(dǎo)致了巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)而造成巷道周?chē)鷰r體破碎范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，使得單純的錨桿支護(hù)失效，不能充分發(fā)揮錨固作用。針對(duì)巷道圍巖破壞特點(diǎn)，需考慮支護(hù)系統(tǒng)的整體性及強(qiáng)度的提高，其中噴漿技術(shù)的應(yīng)用，一方面可以較好地防治圍巖揭露后的進(jìn)一步風(fēng)化；另一方面可以充填表層裂隙，使表層破碎巖體在一定程度上膠合在一起，利于錨固體承載結(jié)構(gòu)的形成。

為了滿(mǎn)足上述條件下巷道圍巖的控制，確保巷道服務(wù)年限內(nèi)的安全使用，提出如下支護(hù)體系:

(1)巷道表面實(shí)施噴漿防風(fēng)化措施。

(2)對(duì)于巷道圍巖破碎嚴(yán)重的情況，適時(shí)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿及時(shí)錨固，阻止圍巖松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)大。

(3)采用錨索加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，將內(nèi)層錨固結(jié)構(gòu)懸吊到更為穩(wěn)定的深部圍巖結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)更大范圍的圍巖加固。

(4)為了滿(mǎn)足礦井的正常生產(chǎn)需求，除了結(jié)合上述3個(gè)步驟外，需要合理布置監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整錨桿間排距、錨固長(zhǎng)度等支護(hù)參數(shù)，以適應(yīng)巷道圍巖的變化。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及監(jiān)測(cè)

在陽(yáng)煤五礦趙家分區(qū)回采巷道實(shí)施了表面噴漿防止風(fēng)化及矩形斷面頂角微拱形＋錨桿錨索＋底角錨索聯(lián)合支護(hù)體系，為了驗(yàn)證其支護(hù)效果，布置連續(xù)礦壓觀測(cè)站，得到如圖3所示巷道表面變形曲線。從圖3中可以看出，巷道掘進(jìn)后在10d左右圍巖變形速度最快屬于掘進(jìn)影響強(qiáng)烈期，隨后逐漸趨于緩和；采用新支護(hù)方案后，頂?shù)装逡平?50 mm，兩幫移近量78mm，底臌量稍大于頂板下沉量，在大約90d時(shí)，巷道表面不再隨著時(shí)間的推移而繼續(xù)變形?？梢?jiàn)，巷道圍巖整體性和穩(wěn)定性較好，頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平康玫矫黠@地控制，新支護(hù)方案支護(hù)效果及參數(shù)較為合理。

圖3 巷道表面變形曲線

5 結(jié)論

(1)本文從頂板巖層性質(zhì)、斷面形狀及大小、支護(hù)方案與圍巖地質(zhì)適應(yīng)性三方面入手，分析深埋大斷面軟弱頂板條件下半煤回采巷道支護(hù)的失效原因。認(rèn)為對(duì)于服務(wù)年限3a左右的回采巷道，可以通過(guò)改變斷面形狀、調(diào)整支護(hù)形式及參數(shù)等方式充分發(fā)揮巖石自穩(wěn)能力，使巷道在規(guī)定的服務(wù)年限內(nèi)達(dá)到安全生產(chǎn)的要求。

(2)FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果表明:在巷道斷面方面，無(wú)論是圍巖應(yīng)力分布還是位移量分布，矩形巷道頂角改為微拱形后，頂角應(yīng)力集中系數(shù)明顯降低，整體受力狀態(tài)良好；底臌控制方面，新方案施加了底角錨索，在一定程度上降低了底臌量，滿(mǎn)足了巷道斷面設(shè)計(jì)要求；就支護(hù)參數(shù)而言，調(diào)整錨桿錨索長(zhǎng)度后，形成更為穩(wěn)定的錨固體結(jié)構(gòu)，圍巖受力狀態(tài)更好，保證了回采巷道安全掘進(jìn)。

(3)工業(yè)性試驗(yàn)表明，結(jié)合前期噴漿并實(shí)施新支護(hù)方案的綜合圍巖控制體系，能夠有效控制圍巖變形，為高效安全生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

(4)對(duì)于處于高應(yīng)力軟弱頂板條件下大斷面的半煤巖巷，采用矩形斷面頂角微拱形＋錨桿錨索＋底角錨索聯(lián)合支護(hù)方式，巷道支護(hù)效果理想，可為今后類(lèi)似巷道的支護(hù)提供借鑒。

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