高陽(yáng)礦回采巷道過(guò)斷層支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究

郝志軍，馮云貴，李兆龍

(1.山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 山西 介休市 032000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

1 工程概況

汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦二采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，陷落柱發(fā)育，且多見(jiàn)斷層。在高陽(yáng)礦二采區(qū)多個(gè)回采巷道掘進(jìn)過(guò)程中均出現(xiàn)較大范圍的陷落柱及斷層構(gòu)造，對(duì)巷道支護(hù)造成了極大難度，同時(shí)大大降低了巷道的掘進(jìn)效率，影響企業(yè)效益。

本文以高陽(yáng)煤礦二采區(qū)某運(yùn)輸巷過(guò)斷層帶為研究背景，對(duì)巷道過(guò)斷層帶的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

該運(yùn)輸巷服務(wù)于二采區(qū)某工作面，埋深約 300 m，開(kāi)采太原組9—10—11#煤，鄰近的工作面煤層總厚度平均約為8.8 m，煤層結(jié)構(gòu)為1.3（0.42）7.08，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，該煤層煤種為瘦煤。煤層傾角最大為 11°，最小為 2°，平均為 6.5°。開(kāi)采煤層直接頂為2.07 m的灰?guī)r，老頂為6.60 m的泥巖/灰?guī)r，質(zhì)地較硬，直接底約為7.91 m的泥巖。煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

該運(yùn)輸巷開(kāi)挖至500 m處揭露1條落差H=10 m的正斷層，斷層走向與巷道掘進(jìn)方向基本呈空間垂直，巷道由斷層下盤(pán)向斷層上盤(pán)穿越。地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 巷道過(guò)斷層地質(zhì)剖面

2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

2.1 原支護(hù)參數(shù)

巷道在過(guò)斷層區(qū)間由矩形斷面變?yōu)槿墓皵嗝?，巷?100 mm，拱高1600 mm，墻高1600 mm，巷道高度為3200 mm，斷面面積約15 m2。

拱頂采用Φ20 mm×2200 mm的螺紋鋼錨桿，每排布置7根，錨桿間距為900 mm，排距為1000 mm，每根螺紋鋼配套使用 2支樹(shù)脂藥卷；兩幫均采用Φ20 mm×2200 mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，每排布置2根，間距900 mm，排距1000 mm；頂、幫錨桿均配套使用300 mm×400 mm×3 mm的鋼帶托塊；頂板錨索為每排布置2根，間距2000 mm，排距1000 mm。錨索采用Φ17.8 mm×4000 mm。頂、幫均鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。巷道施工完畢后，噴漿50 mm厚，噴漿緊跟工作面。

2.2 支護(hù)現(xiàn)狀與理論分析

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，該運(yùn)輸巷過(guò)斷層區(qū)段巷道頂、幫、底基本為全巖，巷道圍巖多為質(zhì)地堅(jiān)硬的灰?guī)r和部分泥巖，因此巷道掘進(jìn)效率較低。此外巷道的頂幫收斂并不明顯，圍巖穩(wěn)定性較高，但支護(hù)較為密集，支護(hù)構(gòu)件間排距較小。過(guò)多的支護(hù)布置一方面增加了鉆孔長(zhǎng)度，影響工程進(jìn)展，另一方面也會(huì)對(duì)完整性較好的圍巖造成破壞，降低圍巖自身的承載能力。分析認(rèn)為，原有的支護(hù)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，過(guò)多的支護(hù)增加支護(hù)成本。

圖2 巷道過(guò)斷層支護(hù)布置（單位：mm）

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該運(yùn)輸巷的圍巖穩(wěn)定性較好。考慮到回采巷道服務(wù)年限一般為 1～2年，過(guò)多地浪費(fèi)支護(hù)成本，耗費(fèi)工時(shí)將嚴(yán)重影響企業(yè)效益。因此，以保證安全穩(wěn)定性為前提，實(shí)現(xiàn)合理經(jīng)濟(jì)的巷道支護(hù)是急需解決的問(wèn)題。

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，礦井支護(hù)絕大多數(shù)采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)的方式。采用加固拱和懸吊理論對(duì)巷道支護(hù)的基本參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算。

通過(guò)理論計(jì)算得到巷道頂錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)該大于等于1.92 m，當(dāng)采用Φ20 mm×2200 mm的螺紋鋼錨桿時(shí)，錨桿間排距小于等于 1.1 m。頂錨索長(zhǎng)度應(yīng)不小于3.4 m，每排布置1根錨索時(shí)，錨索排距應(yīng)小于1.54 m。幫錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于1.49 m，間排距小于1.1 m。

經(jīng)過(guò)圍巖力學(xué)試驗(yàn)、理論計(jì)算，得到了巷道支護(hù)的初步參數(shù)。原支護(hù)方案的設(shè)計(jì)主要依靠煤層中常規(guī)巷道的支護(hù)參數(shù)，對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果可以看出，原支護(hù)密度要明顯大于理論參數(shù)，這不僅會(huì)破壞巷道圍巖穩(wěn)定性，更會(huì)嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率，增加支護(hù)成本。

依靠現(xiàn)場(chǎng)情況和理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，具體優(yōu)化方案如圖3所示。

拱形頂板采用Φ20 mm×2200 mm的螺紋鋼錨桿，每排布置6根，錨桿間距為1100 mm，排距為1000 mm；兩幫均采用Φ20 mm×2200 mm的螺紋鋼錨桿支護(hù)每排布置2根，間距900 mm，排距1000 mm；頂板中心采用Φ17.8 mm×4000 mm的錨索，每排布置1根，排距1000 mm。頂、幫均要求鋪設(shè)Φ46 mm×2000 mm×1000 mm的鋼筋網(wǎng)；巷道施工完畢后，噴漿50 mm厚，噴漿緊跟工作面。

圖3 優(yōu)化支護(hù)方案（單位：mm）

4 數(shù)值模擬計(jì)算

4.1 模型建立

為研究?jī)?yōu)化支護(hù)方案的可行性，確保生產(chǎn)工作的安全性，采用FLAC3D軟件對(duì)原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析對(duì)比2種方案的巷道變形，為優(yōu)化支護(hù)方案的實(shí)施應(yīng)用提供充分的理論依據(jù)。

數(shù)值模型尺寸為x×y×z=30 m×10 m×30 m，并按照現(xiàn)場(chǎng)巖層分布進(jìn)行分區(qū)劃分。模型四周限制節(jié)點(diǎn)水平位移，下表面固定，上表面施加7.5 MPa均勻分布的垂直壓應(yīng)力作為補(bǔ)償荷載，水平側(cè)壓力系數(shù)取λ=1.2。巷道過(guò)斷層區(qū)間，巷道圍巖主要為泥巖與灰?guī)r，并穿過(guò)該巖層進(jìn)入煤層，故數(shù)值模擬中將巷道設(shè)置在泥巖、灰?guī)r巖層中，對(duì)比研究該區(qū)段下2種支護(hù)方案的巷道圍巖穩(wěn)定性。巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

巷道開(kāi)挖后，會(huì)在圍巖幫頂部位出現(xiàn)一定程度的塑性屈服和裂隙發(fā)育，從而引發(fā)圍巖變形。因此巷道穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在巷道圍巖變形大小。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

4.2.1 垂直位移對(duì)比

圖5為巷道圍巖垂直位移對(duì)比分析圖。由圖5可知，原支護(hù)方案最大頂板下沉為4.48 mm，底鼓為 6.92 mm；而優(yōu)化方案最大頂板下沉達(dá)到 4.45 mm，底鼓為6.92 mm。所以，優(yōu)化支護(hù)方案較原支護(hù)方案，在拱頂中心處的錨索有效控制了頂板圍巖變形。優(yōu)化方案與原支護(hù)方案相比，在減去支護(hù)材料的條件下，依然能夠保證圍巖處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，由此，驗(yàn)證了優(yōu)化支護(hù)方案對(duì)于頂板支護(hù)的可行性。

圖5 巷道圍巖垂直位移

4.2.2 水平位移對(duì)比

圖6為巷道圍巖水平位移對(duì)比分析圖。由圖6可知，原支護(hù)方案兩幫移近量為5.73 mm，優(yōu)化支護(hù)方案兩幫移近量為5.78 mm。優(yōu)化方案在減少支護(hù)的情況下兩幫移近量有少許增大，但不足 1%。總體而言，2種方案幫部變形均不大，屬安全范圍內(nèi)。

圖6 巷道圍巖水平位移

4.2.3 塑性區(qū)范圍對(duì)比

圖7為巷道圍巖塑性屈服區(qū)對(duì)比分析圖。由圖7可知，巷道圍巖變形破壞主要以壓剪破壞為主，2種方案對(duì)于控制圍巖塑性區(qū)范圍和巷道兩幫塑性屈服都有著較好的作用。較原方案相比，優(yōu)化支護(hù)方案在減少支護(hù)的情況下，圍巖塑性區(qū)范圍略有增加，但增加范圍極小。

圖7 圍巖塑性區(qū)范圍

根據(jù)以上分析，認(rèn)為在過(guò)斷層期間，巷道過(guò)灰?guī)r段，圍巖較為堅(jiān)硬，優(yōu)化支護(hù)方案與原支護(hù)方案相比，在降低支護(hù)成本、提高掘進(jìn)速度的同時(shí)，依然可以保證巷道在掘進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定，從而驗(yàn)證了優(yōu)化支護(hù)方案的可行性。該方案可為類(lèi)似地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

優(yōu)化后的支護(hù)方案在高陽(yáng)礦過(guò)斷層構(gòu)造帶得到了應(yīng)用。支護(hù)效果顯示，巷道在優(yōu)化支護(hù)方案下無(wú)明顯變形；巷道掘進(jìn)效率明顯提高，并且節(jié)約了大量支護(hù)成本。

5 結(jié)論

高陽(yáng)礦某運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)斷層期間，巷道通過(guò)灰?guī)r層，原有支護(hù)方案過(guò)于保守，增加了巷道支護(hù)成本，影響了掘進(jìn)效率。通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算設(shè)計(jì)了更為合理的優(yōu)化支護(hù)方案，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化支護(hù)方案與原支護(hù)方案相比，減少了大量支護(hù)成本的同時(shí)，巷道在圍巖垂直、水平方向的變形均與原方案相差不多，優(yōu)化后的塑性區(qū)范圍略有增加，但足以保障巷道的穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，優(yōu)化方案在能夠保證巷道安全的前提下，節(jié)省了大量支護(hù)成本，提高了掘進(jìn)效率，為同類(lèi)型地質(zhì)條件下的支護(hù)提供了指導(dǎo)性建議。