軟巖巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究及工程實(shí)踐應(yīng)用

潘建峰

（陽煤集團(tuán)平舒煤業(yè)有限公司，山西壽陽，045499）

0 引言

在煤炭開采過程中軟巖巷道時(shí)常發(fā)生巷道兩幫移進(jìn)、頂板下沉及底鼓等現(xiàn)象，對(duì)煤礦生產(chǎn)效率具有非常嚴(yán)重的影響；因此，許多學(xué)者對(duì)軟巖巷道的變形機(jī)理、支護(hù)方式進(jìn)行了研究，如：謝小平等[1]以辛置煤礦軌道大巷為研究對(duì)象，通過分析軟巖巷道變形特性提出“錨注+錨網(wǎng)索噴”聯(lián)合支護(hù)方案；王松柏[2]以貴州某礦車場巷道為研究對(duì)象，分析了動(dòng)壓作用下泥化軟巖巷道變形破壞特征及影響因素；左建平等[3]通過建立了開槽卸壓等效橢圓模型，分析了圓形巷道開槽前后的周邊應(yīng)力場變化規(guī)律，對(duì)軟巖巷道卸壓槽開挖方案進(jìn)行最優(yōu)；賈進(jìn)亞等[4]通過分析深部高應(yīng)力作用下巷道底鼓變形特征，采用FLAC軟件模擬不同的加固方案對(duì)巷道圍巖的控制效果，提出底拱混凝土澆灌+底板錨桿加固的控制措施。基于以上研究成果并結(jié)合平舒煤礦軌道大巷圍巖特性，采用FLAC數(shù)值模擬軟件確定巷道支護(hù)方案，提出“錨—網(wǎng)—噴—注漿”的聯(lián)合支護(hù)方案，工程實(shí)踐表明該方案對(duì)巷道圍巖具有較強(qiáng)的控制作用。

1 地質(zhì)條件

平舒煤礦軌道大巷布置在-650 m水平，巷道斷面為直墻半圓拱形；所采煤層為15#煤，該煤層平均厚度2.33 m，該工作面總體形態(tài)為北高南低的單斜構(gòu)造，煤層傾角2°～10°，平均傾角約為6°；煤層直接頂為灰?guī)r，平均厚度1.65 m，含泥質(zhì)含量較大，裂隙發(fā)育；老頂為泥巖平均厚度5.66 m，以石英為主且裂隙發(fā)育。直接底為泥巖平均厚度3.86 m，性脆，斷口參差狀，含植物根莖化石，致密；老底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.52 m。該工作面水文地質(zhì)條件簡單，主要充水因素有：K2下灰?guī)r裂隙含水層，K2灰?guī)r裂隙含水層，K3、K4灰?guī)r裂隙含水層，以上含水層均為太原組灰?guī)r裂隙巖溶含水層?？紤]到軌道大巷所在位置及巷道圍巖特性，首先采用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同支護(hù)方案下的巷道圍巖變形特性進(jìn)行分析，確定最終的支護(hù)形式，然后進(jìn)行工程應(yīng)用，軌道大巷與煤層位置關(guān)系見圖1。

圖1 軌道大巷與煤層位置示意圖

2 數(shù)值模擬

根據(jù)軌道大巷圍巖特性，利用FLAC3D建立數(shù)值模型，數(shù)值模型尺寸（長×寬×高）為：50 m×30 m×50 m，模型頂邊界采用應(yīng)力邊界，底邊界采用垂直位移固定，左右邊界水平位移固定，力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)

軌道大巷斷面內(nèi)采用三種不同的支護(hù)形式：⑴錨桿支護(hù)：錨桿為φ22 mm長度2.4 m，間排距為700 mm×700 mm。⑵錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)：錨桿為φ22 mm長度2.4 m，間排距為700 mm×700 mm；錨索φ18.9 mm，長度7.3 m，間排距1 700 mm×1 400 mm。⑶錨注支護(hù)：在原有錨桿、索聯(lián)合支護(hù)基礎(chǔ)上，分別在巷道圍巖四周采用注漿錨桿加固，組成聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，漿液擴(kuò)散半徑取2 m。通過數(shù)值模擬結(jié)果，分析不同支護(hù)形式條件下巷道頂板下沉量、巷道底鼓量，以選取最佳的支護(hù)方案，進(jìn)行工程應(yīng)用；數(shù)值模擬結(jié)果見圖2。

圖2 不同支護(hù)方案下巷道圍巖變形量

由圖2可以看出：隨著運(yùn)算步數(shù)的增加，軌道大巷頂板下沉量和兩幫移進(jìn)量呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的變化規(guī)律，該規(guī)律與實(shí)際情況基本相同由此說明數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可靠性。但不同的加固方式巷道圍巖變化程度均有不同：錨桿支護(hù)、錨桿索聯(lián)合支護(hù)、錨注支護(hù)的頂板下沉量分別為：222 mm、132 mm，22 mm；從數(shù)據(jù)可以看出錨桿支護(hù)的頂板下沉量是錨桿索聯(lián)合支護(hù)頂板下沉量的1.68倍，是錨注支護(hù)的頂板下沉量的10倍。錨桿索聯(lián)合支護(hù)頂板下沉量是錨注支護(hù)頂板下沉量的6倍，由此說明錨注支護(hù)對(duì)軌道大巷頂板控制效果最好；錨桿支護(hù)、錨桿索聯(lián)合支護(hù)、錨注支護(hù)巷道兩幫位移量分別為：655 mm、261 mm、41 mm，錨桿支護(hù)兩幫移進(jìn)量是錨桿索聯(lián)合支護(hù)兩幫移進(jìn)量的2.5倍，是錨注支護(hù)兩幫移進(jìn)量的15.9倍，錨桿索聯(lián)合支護(hù)兩幫移進(jìn)量是錨注支護(hù)兩幫移進(jìn)量的6.36倍，由此說明錨注支護(hù)對(duì)巷道兩幫的控制效果最為明顯。

3 工程實(shí)踐應(yīng)用

通過數(shù)值模擬分析可知，采用普通的錨桿或錨桿索聯(lián)合支護(hù)對(duì)巷道圍巖控制效果較差，難以維持巷道的穩(wěn)定性，而錨注支護(hù)不僅能夠起到錨桿索聯(lián)合支護(hù)的效果，圍巖注漿后還能充填圍巖內(nèi)部的裂隙將破碎巖體重新固結(jié)起來，為錨桿索提高更好的著力點(diǎn)，大大提高了錨桿索的支護(hù)作用，因此，軌道大巷采用“錨—網(wǎng)—噴—注漿”的聯(lián)合支護(hù)方案。

3.1 錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

軌道大巷斷面設(shè)計(jì)為直墻半圓拱斷面，巷道凈斷面高度為4.8 m，寬度為5.0 m，直墻高度1.6 m，巷道中心凈高度為4.0 m。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場施工條件，決定采用與數(shù)值模擬中相同的支護(hù)參數(shù)對(duì)軌道大巷進(jìn)行支護(hù)；錨桿采用直徑為22 mm、長度為2.4 m、強(qiáng)度約為350 MPa的高強(qiáng)度樹脂錨桿，預(yù)緊力200 kN，間排距為700 mm×700 m，托盤規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm（長×寬×厚）。頂板錨索直徑為18.9mm、長度為7.3 m，間排距為1 700 mm×1 400 mm；兩幫錨索直徑為18.9 mm長度為5.3 m，間排距為1 300 mm×1 400 mm，采用250 mm×250 mm×20 mm（長×寬×厚）托盤，預(yù)緊力均為250 kN，鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑為6.5 mm，網(wǎng)格大小為70 mm×70 mm，網(wǎng)片規(guī)格1 000 mm×2 000 mm，鋼帶為3.5 m長的M5鋼帶，見圖3。

圖3 錨桿、錨索布置示意圖

噴漿材料是由聚丙烯纖維混合料、速凝劑、水泥按一定比例加水?dāng)嚢杈鶆蚝蟛捎脟姖{機(jī)進(jìn)行噴射；噴漿分兩側(cè)進(jìn)行，初次噴漿是在錨桿、錨索安裝完成且達(dá)到預(yù)緊力之后進(jìn)行，噴層厚度約為30 mm～50 mm，第二次噴漿滯后巷道60 m～100 m進(jìn)行，噴層厚度約為50 mm～70 mm。

3.2 全斷面注漿支護(hù)參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，注漿采用自固式注漿錨桿對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固，采用長短孔交替循環(huán)注漿，注漿壓力及注漿量根據(jù)注漿時(shí)的實(shí)際情況進(jìn)行確定，但必須采取地壓注漿且滯后注漿鉆孔根據(jù)巖層及可見裂隙進(jìn)行非對(duì)稱布置；注漿要求漿液飽滿充實(shí)，以每個(gè)注漿孔不發(fā)生跑漿為宜。注漿錨桿長孔錨桿長度為2.5 m短孔長度1.0 m，錨桿直徑25 mm，間排距1 700 mm×1 400 mm，注漿錨索長度為5.3 m，直徑為18.9 mm，間排距1 400 mm×1 400 mm，注漿斷面見圖4；注漿順序?yàn)橄认潞笊?，先底腳，后兩幫、再肩窩、最后注正頂。

圖4 注漿鉆孔示意圖

4 應(yīng)用效果分析

為了對(duì)軌道大巷圍巖變形規(guī)律進(jìn)行有效觀測，檢驗(yàn)“錨-網(wǎng)-索-噴-注漿”支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖的控制效果及方案的可行性、科學(xué)性；在巷道施工過程中布置相應(yīng)的礦壓觀測站點(diǎn)，以巷道圍巖變形量為主要監(jiān)測指標(biāo)，采用十字交叉法監(jiān)測巷道圍巖的變化情，監(jiān)測結(jié)果見圖5。

圖5 巷道圍巖位移量變化規(guī)律

根據(jù)巷道圍巖表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：1）在錨注支護(hù)后的90d觀測時(shí)間內(nèi)，頂板下沉量約為40.07 mm，兩幫移進(jìn)量為55.53 mm，底鼓量為47.71 mm，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，巷道表面位移已經(jīng)收斂，此時(shí)巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，最大位移量均在合理的變化范圍內(nèi)，說明錨注支護(hù)對(duì)巷道圍巖具有較強(qiáng)的控制作用，證明了錨注參數(shù)的合理性。2）在錨注支護(hù)后25d觀測時(shí)間，巷道圍巖變形量及變形速率較大，此時(shí)巷道圍巖正處于應(yīng)力調(diào)整期；頂板下沉的最大速率為3.2 mm/d，兩幫移盡量的最大速率為3.4 mm/d，底鼓最大速率為5.7 mm/d；25d以后，巷道圍巖應(yīng)力調(diào)整基本完成，巷道圍巖變形速率逐漸降低，基本趨于零。

5 結(jié)論

以平舒煤礦軌道大巷為工程背景，根據(jù)軌道大巷圍巖特性采用FLAC數(shù)值模擬軟件建立相應(yīng)的力學(xué)模型，模擬不同支護(hù)方案下巷道圍巖變形特征，提出“錨—網(wǎng)—噴—注漿”的聯(lián)合支護(hù)方案；工程實(shí)踐表明：該支護(hù)方案有效降低了巷道圍巖變形量，頂板下沉量、兩幫移進(jìn)量、底鼓量分別為：40.07 mm、55.53 mm、47.71 mm，均在合理范圍內(nèi)，證明了該支護(hù)方案的可靠性及支護(hù)參數(shù)的合理性。