斷層構(gòu)造影響帶內(nèi)煤巷頂板全錨索支護(hù)研究

安將文

（山西安煤礦業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司，山西 太原 030006）

斷層構(gòu)造影響帶下的巷道支護(hù)是采礦工程中最難解決的工程技術(shù)問題之一，以其大變形、難支護(hù)的特點(diǎn)受到普遍關(guān)注；同時，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，離散元法等數(shù)值模擬方法開始大量用于支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，它們在解決非圓形、非均質(zhì)、復(fù)雜邊界條件的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方面顯示出較大的優(yōu)越性，能夠較精確地模擬材料的塑形流動和破壞，得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1-5］.

1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

1.1 斷層構(gòu)造

某礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層十分發(fā)育，井田內(nèi)揭露大小斷層近2600條，最高密度可達(dá)298條／km2，平均密度為160條／km2.對2號煤層中的斷層落差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果5m以上的大、中型斷層，僅占斷層總數(shù)的4%，其余96%皆為落差＜5m的小斷層，而小斷層中，以落差1～3m者居多，占45%以上。這些斷層構(gòu)造致使巷道破壞變形嚴(yán)重影響了礦井安全高效生產(chǎn)。

1.2 工作面布置

試驗(yàn)工作面為2號煤層的2607工作面，黃土覆蓋厚度為320m，基巖厚度120m；工作面運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷均沿煤層走向布置，巷道斷面形狀為矩形，斷面尺寸為4.2m×3.0m，工作面頂?shù)装逍再|(zhì)見表1.

表1 工作面頂?shù)装逍再|(zhì)表

2 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 原支護(hù)方案

原支護(hù)為錨桿支護(hù)，采用d22mm×2400mm左旋螺紋鋼錨桿配合棱形金屬網(wǎng)和托梁進(jìn)行支護(hù)，巷道處于巷道斷層構(gòu)造影響帶內(nèi)，且頂?shù)装逡运绍浤鄮r為主，受斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響，圍巖比較破碎；2號煤質(zhì)裂隙也比較發(fā)育，松軟，錨桿的預(yù)緊力不能有效控制周圍破碎巖體。由于掘進(jìn)造成的振動，破碎頂板從錨桿托盤兩側(cè)掉落，造成托盤與頂板之間的裂隙，使錨固力降低甚至使錨桿失效。

2.2 全錨索支護(hù)方案

錨索在支護(hù)密度小的時候，主要起懸吊作用，但是當(dāng)錨索的支護(hù)密度達(dá)到一定程度時，其對頂板圍巖能起到加固作用，由于2號煤層頂板為松軟的泥巖，可視為粘結(jié)力較小的松散體，在錨索群、W 鋼帶、金屬網(wǎng)的共同作用下，錨固范圍內(nèi)的巖石可構(gòu)成組合錨固體，使淺部圍巖形成具有一定承載能力的錨固平衡拱，錨固平衡拱對巷道平衡拱外的頂板能夠起到有效的支撐作用［6-7］.和錨桿相比，錨索的長度、預(yù)應(yīng)力及承載能力都比較大，所以，錨索支護(hù)時形成的錨固平衡拱要比錨桿支護(hù)形成的錨固平衡拱承載能力強(qiáng)。

錨索的支護(hù)長度對支護(hù)效果有直接影響，一般長度越大，支護(hù)效果越好，但是錨索長度的加大，增加了施工難度，也增加了巷道支護(hù)成本，同時降低了掘進(jìn)速度，因此，為了既能充分發(fā)揮錨索的支護(hù)效果，又能適當(dāng)降低巷道支護(hù)成本，應(yīng)選用適當(dāng)長度的錨索。

初步確定全錨索支護(hù)方案如下：頂板全采用7股鋼絞線錨索，選擇兩種錨索長度：d15.24mm×8000 mm的長錨索和d15.24mm×5000mm的短錨索，用短錨索代替錨桿，長短錨索將金屬網(wǎng)、W 型鋼帶懸吊到直接頂上方的堅(jiān)固老頂上；兩幫支護(hù)也采用錨桿和金屬網(wǎng)支護(hù)，參數(shù)不變，見圖1.

圖1 全錨索支護(hù)斷面示意圖

2.3 支護(hù)方案數(shù)值模擬對比分析

以運(yùn)輸巷斷面為數(shù)值模擬模型，采用UDEC數(shù)值模擬進(jìn)行分析。針對原方案和全錨索支護(hù)方案，建立數(shù)值模型，見圖2.

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型圖

模型中，上覆巖層簡化為上邊界均布載荷，左右邊界限制水平位移，底部邊界限制垂直位移。材料本構(gòu)模型為摩爾—庫倫模型，數(shù)值計(jì)算過程為原巖應(yīng)力計(jì)算→巷道開挖→計(jì)算→巷道支護(hù)→計(jì)算→結(jié)果輸出。巖體和接觸面力學(xué)參數(shù)見表2，表3.

表2 塊體力學(xué)參數(shù)表

表3 結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)表

原方案模擬結(jié)果見圖3，全錨索支護(hù)方案模擬結(jié)果見圖4.在巷道位移量中，hist1、3、5、7分別為左幫、右?guī)臀灰屏?、頂板、底板位移量?/p>

由圖3可知，原方案錨桿支護(hù)的巷道圍巖控制有明顯的不足，部分錨桿和錨索被拉入了圍巖內(nèi)，說明會導(dǎo)致托梁和金屬網(wǎng)的破壞，從而影響巷道的整體穩(wěn)定性；底板位移已超過15cm，頂板位移15cm；巷道圍巖有較大的塑形屈服區(qū)。

與原方案相比，圖4所示的全錨索支護(hù)巷道變形明顯較小，巷道的頂板位移量為5cm，底板位移量為9cm，頂?shù)装逦灰苾奢^前原支護(hù)明顯減小；圍巖塑形區(qū)范圍減小。這些都說明全錨索支護(hù)對圍巖的控制力確實(shí)比錨桿加錨索支護(hù)強(qiáng)，對巷道的支護(hù)更加有效。

3 全錨索支護(hù)方案現(xiàn)場觀測

3.1 觀測內(nèi)容及測站布置

全錨索支護(hù)方案實(shí)施后進(jìn)行礦壓檢測，內(nèi)容主要有巷道表面位移、頂板離層、錨索受力及巷道斷面收縮率和破壞狀況統(tǒng)計(jì)等幾個部分。經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，選取1#測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.2 觀測結(jié)果分析

觀測數(shù)據(jù)結(jié)果見圖5.

圖3 原方案數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果示意圖

圖4 全錨索支護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果示意圖

圖5 觀測結(jié)果示意圖

由圖5可知：

1）頂?shù)装逡平合锏谰蜻M(jìn)期間，頂?shù)装逡平啃∮?0mm，距掘進(jìn)面70m后，巷道頂?shù)装寤痉€(wěn)定，移近量幾乎不變，說明巷道已趨于穩(wěn)定，錨索支護(hù)對巷道變形起到良好的抑制作用。

2）兩幫移近量：巷道掘進(jìn)期間，巷道兩幫移近量60mm左右，在巷道掘進(jìn)70m后基本保持穩(wěn)定，由于巷道位于斷層構(gòu)造影響帶內(nèi)，幫錨桿的錨固力有待加強(qiáng)。

3）頂板離層：巷道掘進(jìn)期間，頂板的離層量不大，最大達(dá)到33mm，平均30mm左右，距巷道掘進(jìn)60m左右，頂板基本沒有離層現(xiàn)象發(fā)生。

4）錨索受力：錨索在巷道掘出后立即施工，當(dāng)巷道掘進(jìn)10m時，錨索受力開始增加，起始值為50kN左右，隨著巷道的掘進(jìn)，錨索受力增加，受力范圍為50～200kN，當(dāng)巷道掘進(jìn)到60～70m，錨索受力基本穩(wěn)定，說明錨索受力與頂板離層有關(guān)，當(dāng)頂板開始離層時，錨索受力增加。

4 結(jié) 論

斷層構(gòu)造影響帶內(nèi)，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，巷道頂板圍巖軟弱，直接頂巖石破碎。對斷層構(gòu)造影響帶內(nèi)巷道進(jìn)行全錨索支護(hù)，長、短錨索交替布置配合。巷道圍巖的變形破壞狀態(tài)相比原錨桿支護(hù)方案得到了有效改善?，F(xiàn)場對全錨索支護(hù)巷道進(jìn)行了礦壓監(jiān)測，巷道變形數(shù)據(jù)也證明了全錨索支護(hù)控制圍巖效果良好。

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