軟巖穿層巷道非對(duì)稱變形穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

劉耀輝

（山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦，山西 長(zhǎng)治 046200）

0 引言

煤炭在國家能源排名中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求與日俱增[3-4]。隨著開采深度的不斷增加，五陽煤礦面臨的開采困難日益增加，軟巖巷道掘進(jìn)是目前急需要解決的一個(gè)重大難題[5-6]。軟巖巷道掘進(jìn)面臨著頂板支護(hù)困難，巷道底板泥化嚴(yán)重等一系列嚴(yán)重問題[7]。雖然有的礦井采取了一些解決手段，但由于我國的礦井自然條件不同，導(dǎo)致面臨的軟巖問題也各不相同[8]。76.2 號(hào)區(qū)段2 號(hào)總回風(fēng)巷作為五陽煤礦的一個(gè)工作面，掘進(jìn)期間遇到穿過泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒石英砂巖等多種巖層的情況，掘進(jìn)難度增加，掘進(jìn)效率直接影響著正常采掘持續(xù)，如何采取合理、有效的掘進(jìn)方法尤為重要[9-10]。

1 概況

山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦位于山西省襄垣縣境內(nèi)，是一座大型礦井，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°58′25″～113°05′09″，北緯36°26′46″～36°33′47″。礦井開采對(duì)象主要為山西組中下部3 號(hào)煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤巖類型以亮煤為主，暗煤次之，煤質(zhì)為貧廋煤。

煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度約0.2～0.3 m，平均0.25 m；直接頂為泥巖及砂質(zhì)泥巖，厚度2.04～4.15 m，平均2.96 m；老頂為砂質(zhì)泥巖及細(xì)粒石英砂巖，厚度5.43～10.25 m，平均7.51 m；直接底為砂質(zhì)泥巖和泥巖，厚度2.75～5.4 m，平均3.84 m；老底為細(xì)粒長(zhǎng)石英砂巖，厚度4.12～9.54 m，平均6.52 m。

2 模擬過程及結(jié)果分析

2.1 模型建立

巖石力學(xué)參數(shù)是影響巷道穩(wěn)定的重要因素，根據(jù)五陽煤礦地質(zhì)報(bào)告及相關(guān)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行折減得到相應(yīng)巖體的力學(xué)參數(shù)，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 折減后巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass after reduction

76.2 號(hào)區(qū)段2 號(hào)總回風(fēng)巷沿巷煤層傾角-7°～+7°，平均-4°，因此確定數(shù)值模擬計(jì)算的模型范圍長(zhǎng)×寬×高=50 m×10 m×36 m，共50 050個(gè)節(jié)點(diǎn)，44 400 個(gè)單元。其數(shù)值模擬模型示意如圖1所示。

圖1 矩形巷道數(shù)值模擬模型示意Fig.1 Numerical simulation model of rectangular tunnel

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)五陽煤礦76.2 號(hào)區(qū)段2 號(hào)總回風(fēng)巷圍巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)參數(shù)，通過FLAC3D 等數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模擬模型，模擬深井復(fù)雜地質(zhì)條件軟巖穿層巷道在不同影響因素下的變形特征、應(yīng)力與應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，如圖2～圖4所示。

圖2 以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主的穿層巷道位移特征Fig.2 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by mudstone and sandy mudstone

圖3 以砂質(zhì)泥巖及細(xì)粒石英砂巖為主的穿層巷道位移特征Fig.3 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone

圖4 以砂質(zhì)泥巖及細(xì)粒石英砂巖為主的穿層巷道應(yīng)力特征Fig.4 Stress characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone

當(dāng)將巷道布置在較軟或較硬的巖層中時(shí)，巷道所在巖層巖性對(duì)巷道變形量及非對(duì)稱變形影響較大。在以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主的穿層巷道中靠近泥巖側(cè)巷道頂板位移量較大，巷道整體向右偏移；在以砂質(zhì)泥巖及細(xì)粒石英砂巖為主的穿層巷道中巷道頂?shù)装鍑鷰r變形量沒有以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主的穿層巷道圍巖變形大，說明當(dāng)巖層巖性相差較大時(shí)，巷道頂?shù)装逦灰屏吭诳拷^軟巖層時(shí)位移量較大。

在巷道兩側(cè)也出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，其中在以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主的穿層巷道中巷道右?guī)蛻?yīng)力較左幫較大，在較高的支承壓力作用下發(fā)生破壞，失去承載能力，使得應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，同時(shí)自身破碎卸壓，釋放了圍巖應(yīng)力，使得圍巖中應(yīng)力集中程度降低。

通過上述對(duì)比分析可知巷道所在巖層巖性對(duì)巷道的非對(duì)稱分布起主導(dǎo)作用，且軟巖巷道因難以承受高應(yīng)力而發(fā)生破壞，使得應(yīng)力向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，而當(dāng)巷道巖層為硬巖時(shí)，巷道承受較高的應(yīng)力集中，圍巖完整性較好。

2.3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬巷道圍巖的非對(duì)稱變形破壞情況提出合適的支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)，確定軟巖穿層巷道圍巖非對(duì)稱變形的加固控制方案。

頂板支護(hù)：在頂板采用桿體為22 號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號(hào)為500 號(hào)，長(zhǎng)度2.4 m，桿尾螺紋為M24。采用樹脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度1 208 mm，錨固力2 00 kN。錨桿排距1.0 m，每排6 根錨桿，間距0.95 m。采用φ18.9 mm，1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6.3 m，采用樹脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1 921 mm。

2.4 支護(hù)效果分析

通過FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)五陽煤礦76.2號(hào)區(qū)段2 號(hào)總回風(fēng)巷圍巖的變形進(jìn)行模擬，從應(yīng)力分布特征、位移分布特征分析得出：在不同穿層段的巷道均呈現(xiàn)出了不對(duì)稱變形特征，巷道圍巖巖層巖性相差越大，非對(duì)稱變形量也越大，非對(duì)稱現(xiàn)象越明顯。當(dāng)采用設(shè)計(jì)的非對(duì)稱支護(hù)方案后巷道圍巖受力情況得到改善，巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰贫紩?huì)減小，改善了巷道圍巖變形破壞情況，巷道圍巖的非對(duì)稱變形得到有效控制。不同條件下對(duì)巷道非對(duì)稱支護(hù)的位移云圖如圖5～圖6所示。

圖5 非對(duì)稱支護(hù)下以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主穿層巷道位移特征Fig.5 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by mudstone and sandy mudstone under asymmetric support

圖6 非對(duì)稱支護(hù)下以砂質(zhì)泥巖及細(xì)粒石英砂巖為主穿層巷道位移特征Fig.6 Displacement characteristics of cross-layer roadway dominated by sandy mudstone and fine-grained quartz sandstone under asymmetric support

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 巷道支護(hù)參數(shù)確定

通過數(shù)值模擬、理論分析計(jì)算等方法，確定支護(hù)方案如圖7所示。錨桿形式和規(guī)格：桿體為22號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號(hào)為500 號(hào)，長(zhǎng)度2.4 m，桿尾螺紋為M24。錨固方式：樹脂加長(zhǎng)錨固，采用2 支錨固劑。錨桿排距1.0 m，每排6 根錨桿，間距0.95 m。

圖7 矩形巷道錨桿、錨索布置Fig.7 Arrangement of bolt and anchor in rectangular roadway

3.2 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，匯總4-1 號(hào)測(cè)站、4-2 號(hào)測(cè)站、5-1 號(hào)測(cè)站以及5-2 號(hào)測(cè)站4 個(gè)測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)所得結(jié)果，如圖8所示。

圖8 測(cè)站巷道表面位移Fig.8 Surface displacement of station roadway

自巷道開挖以后導(dǎo)致原巖應(yīng)力的破壞，其巷道的圍巖應(yīng)力重新分布，巷道斷面開始變形。但是在15 d 以后巷道頂?shù)装逡约皟蓭妥冃瘟坎辉侔l(fā)生明顯變化，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俣戎饾u趨于穩(wěn)定，巷道圍巖整體不再發(fā)生劇烈變化。

4 結(jié)論

（1） 根據(jù)軟巖穿層巷道圍巖變形破壞機(jī)理及特征以及數(shù)值模擬結(jié)果，五陽煤礦76.2 號(hào)區(qū)段2號(hào)總回風(fēng)巷初步擬定了采用強(qiáng)力錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的形式，對(duì)比分析了3 種支護(hù)參數(shù)下的巷道圍巖最大主應(yīng)力、水平應(yīng)力、頂?shù)装逦灰埔约皟蓭臀灰品植家?guī)律，分別確定了拱形巷道和矩形巷道的最優(yōu)支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，工作面穩(wěn)定性顯著提升。

（2） 引入深部礦山復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖穿層巷道周邊圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)，解決了圍巖控制難、變形不對(duì)稱的難題，為煤礦在軟巖的條件下開采建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)和重要參考。