張建生
(山西焦煤西山煤電西銘礦安監(jiān)處,山西 太原 030052)
在煤礦開采過程中,隨著開采深度的不斷增加,地應力的作用愈發(fā)明顯,深部的巖層逐漸出現巷道變形大的現象,嚴重時會影響礦井的安全生產[1],因此在礦井開采中對巷道的穩(wěn)定性提出了更高的要求,針對不同地質條件的煤礦制定科學合理的巷道支護形式,使得巷道在發(fā)生大變形時能夠得到有效的控制,保障礦井的安全穩(wěn)定運行。目前,關于巷道圍巖大變形的控制,國內外的學者提出了多種理論,國外學者主要集中在古典壓力理論、塌落拱理論[2]、新奧法、能量支護理論、應力控制理論[3]等的探討,國內學者則傾向于軸變論[4]、聯合支護、圍巖松動圈[5]、關鍵部位耦合支護、圍巖強度強化、剛性梁和圍巖波動型等理論,基于以上理論,衍生出了國內外常用的三種主要支護形式,分別為主動支護、被動支護和聯合支護。被動支護一般采用噴射混凝土、棚架和砌體三種形式來支撐,主動支護在國內外被廣泛接受,主要使用螺栓和錨桿來支撐,而聯合支護是根據不同巷道的圍巖變形,采用兩種或兩種以上支護方式共同作用,從而達到最強的支護效果,常見的有錨桿注漿網和注漿聯合支護,瞄噴網、注漿和鋼框架聯合支護[5]。本文通過對新建1號庫煤庫的49709皮帶巷進行實際勘驗和理論分析,從而確定了最佳的支護方式,制定相應的安全技術措施以,保證施工順利進行。
在49709皮帶巷施工過程中,巷道頂部壓力明顯,棚梁多處變形,原先的支護形式為0.6 m棚距、單棚梁支護,穩(wěn)定性差,存在一定的安全隱患,因此需對支護方式進行進一步考察和優(yōu)化。在模型優(yōu)化中,一般選擇節(jié)理作為研究對象,節(jié)理是巖體受應力作用后產生的結構面,廣泛存在于巖體內,對節(jié)理自身性質、分布規(guī)律以及巖石力學參數的研究是進行圍巖穩(wěn)定性分析及支護方法優(yōu)化的基礎,此外,皮帶巷斷面的規(guī)格也直接影響支護方案的設計[6-7]。因此實驗對49709皮帶巷的斷面和模型巖石進行了數據采集和準確測量。
采用三維離散單元法程序(3DEC),以表1的斷面規(guī)格所示,分析開挖后巷道的穩(wěn)定性,探討是否滿足礦井安全生產作業(yè)的條件。
表1 49709皮帶巷斷面規(guī)格
基于原單棚梁支護方式,對變形巷道圍巖的支護方式進行了優(yōu)化,提出了雙棚梁支護的方法,棚梁長3.4 m、棚腿長3.4 m,棚距0.8 m,循環(huán)進度為0.8 m,最大控頂距為1.2 m,最小控頂距0.4 m,同時明確了構頂、攀幫、撐木等具體實施條件。
1)構頂:需以破板壓梁頭,6根破板均勻排列,梁中心不得穿過破板,破板用木楔打牢背緊。每根破板上的固定木楔必須同方向,破板采用長為1.4 m的成品破板。
2)攀幫:每幫攀幫四道,上攀幫構木緊貼棚口,每道間隔0.8 m,攀幫須用木楔打緊背牢。
3)撐木:分別設在兩梁頭槽內和棚口向下1.0 m處,撐木采用長為700 mm、寬度70 mm、厚度50 mm的成品撐木,各撐木須處在同一條直線上。
4)支護中棚腿叉角為10°,柱窩為100 mm,巷道有坡度時,架棚迎山角為巷道坡度的1/5。
5)頂板必須鋪設頂網加強支護,金屬網規(guī)格為1.4 m×1.9 m,聯網距為200 mm,搭接距為100 mm。
對49709皮帶巷未支護、單棚梁支護和雙棚梁支護三種支護方案進行了3DEC數值模型計算。根據開挖尺寸和裂隙網絡模型建立相應的含有裂隙的巷道模型,圖1為計算得到的三種支護條件下的巷道圍巖破壞形式。經過對比可以看出:巷道開挖后主要存在張拉和剪切破壞,其中張拉破壞所占的比例最大。在未支護巷道中,重力作用導致巷道頂板的巖石脫落,結構面和自由面形成的塊體非常不穩(wěn)定,將會引起嚴重的安全事故,危害施工人員的生命安全;經過單棚梁支護后,巷道圍巖的破壞形式發(fā)生變化,剪切破壞基本消失,存在少量的張拉破壞,巷道穩(wěn)定性得到明顯的改善,頂板沒有出現塊體脫落的現象,但在巷道底板區(qū)域出現了變形的現象,底板塊體發(fā)生鼓脹,該現象將破壞巷道的已有設備,極大地增加維護成本,甚至有可能危害施工人員生命安全;而經過優(yōu)化后的雙棚梁支護后的巷道未出現張拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū),巷道能夠保持穩(wěn)定狀態(tài),頂部也沒有出現塊體掉落和滑動的現象,整體上支護效果良好。
圖1 巷道圍巖破壞形式
為了更好地比較支護方案的優(yōu)缺點,軟件還模擬了巷道變形位移量隨著開挖深度的變化趨勢,圖2為得到的三種支護方案的頂板累積位移變化曲線。在巷道未支護時,頂板出現較大的位移變形,最大的位移變形出現在頂板的肩部,豎直方向的頂板變形量超過2 cm,具有極高的安全風險,而且隨著開挖深度的增加,巷道變形仍在加劇,頂板下沉的累積變形量甚至超過8 cm,巷道完全被破壞,因此未采取任何支護方式的巷道不具備采礦作業(yè)的條件;在單棚梁支護條件下,可以看到巷道開挖后最大變形量超過0.5 cm,隨著開挖深度的增加,位移量先逐漸增大,最后保持平穩(wěn)狀態(tài),整體上最大累積變形量超過1.1 cm,巷道仍然具有破壞的風險;而在雙棚梁支護方案中,可以看出當巷道設置支護后,斷面下沉量小于0.15 cm,變形程度處于有效控制范圍內。根據頂板累積位移量變化曲線,巷道累積變形量在開挖初期有一定增加,但整體變化控制在0.15 cm以內,由于雙棚梁支護作用整體巷道保持穩(wěn)定。同時隨著開挖深度的不斷增加,位移變化量基本保持不變,因此在雙棚梁作為支護時,巷道可以保持長期穩(wěn)定,為礦井安全開采提供了良好的環(huán)境和條件。
圖2 頂板累積位移變化曲線
1)基于3DEC離散元模擬軟件對49709皮帶巷的未支護、單棚梁支護和雙棚梁支護三種方案進行了數值模擬計算,確定巷道開挖后主要存在張拉和剪切兩種破壞形式;
2)未支護巷道的頂板和底板均出現較大位移變形,累積變形量超過巷道安全值,頂板易發(fā)生巖石塊體脫落,具有很大的安全風險,不具備采礦作業(yè)條件;對比分析單棚梁支護和雙棚梁支護,單棚梁支護存在少量的張拉破壞,頂板保持穩(wěn)定,但底板出現膨脹變形現象,最大累積變形量超過1.1 cm,巷道具有一定安全風險;而雙棚梁支護下的頂板和底板均保持穩(wěn)定,隨著開挖深度的增加,仍能保持穩(wěn)定狀態(tài),滿足采礦作業(yè)要求。