李春生

（汾西礦業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)處，山西 介休 032000）

1 回風(fēng)大巷概況

圖1 北翼回風(fēng)巷預(yù)測(cè)剖面圖（m）

掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)際揭露的巖層來(lái)看，巷道主要位于泥巖互層中，整體性差，分層明顯且單層厚度薄，層間為砂質(zhì)泥巖膠結(jié)，而且巷道施工中常遇到小的地質(zhì)構(gòu)造，如小斷層、小褶曲等，工程條件差。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域構(gòu)造情況，北翼回風(fēng)大巷處于高應(yīng)力及破碎圍巖中，受滑動(dòng)構(gòu)造的影響，巷道成型差、施工困難，變形嚴(yán)重［1］。

2 支護(hù)方案的數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

1）模型的建立。根據(jù)某煤礦北翼回風(fēng)大巷的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)狀況及覆巖特征將數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并留設(shè)合理邊界尺寸消除邊界效應(yīng)，設(shè)計(jì)模型大小為50m×15m×100m（長(zhǎng)×寬×高），模型共劃分50 145個(gè)單元，54 992個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型四個(gè)側(cè)面為水平移動(dòng)邊界，底部為固定邊界，上邊界設(shè)為應(yīng)力邊界，載荷大小為700m埋深的上覆巖層自重約為17.5MPa，側(cè)壓系數(shù)λ＝1.5。

2）圍巖力學(xué)參數(shù)。根據(jù)圍巖力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，力學(xué)參數(shù)取值表（見(jiàn)表1）。

表1 模型力學(xué)參數(shù)取值表

3）模型支護(hù)參數(shù)。本次數(shù)值模擬，在模型中根據(jù)理論計(jì)算的支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，錨桿采用Φ22mm×3 000mm間排距750mm×750mm；錨索采用Φ17.8mm×6 300mm間排距1 500mm×1 500mm。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

1）巷道圍巖應(yīng)力變化特征分析。巷道周圍巖體在巷道開(kāi)挖之后由三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為兩向或近似兩向的受力狀態(tài)，且應(yīng)力的重新分布造成了巖石強(qiáng)度的大幅度變化甚至降低。圍巖水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力及最大主應(yīng)力的變化特征都可有效地映射巷道圍巖系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性能［2］。在選取模型y方向7.5m處進(jìn)行圍巖應(yīng)力的變化分析可更好地消除邊界效應(yīng)的影響。

第一，巷道圍巖最大主應(yīng)力分析。從圖2和圖3可以看出，巷道圍巖最大主應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不均勻的分布特點(diǎn)，巷道周圍4m以外應(yīng)力達(dá)到17.5MPa，近似為原巖應(yīng)力。巷道周圍2m以內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)，其值約為原巖應(yīng)力的13%～53%，在巷道兩幫及底板尤為明顯，最小應(yīng)力達(dá)到2MPa。

圖2 巷道圍巖最大主應(yīng)力分布云圖

圖3 巷道圍巖最大主應(yīng)力分布等值線圖

第二，巷道圍巖垂直應(yīng)力分析。從圖4和圖5中可以看出：大巷頂板錨桿錨固范圍內(nèi)垂直應(yīng)力較小，其值約為原巖應(yīng)力17.5MPa的30%～50%，其為應(yīng)力降低區(qū)，分布明顯呈非對(duì)稱性分布，整體來(lái)看巷道右側(cè)壓力峰值及高應(yīng)力區(qū)域范圍都明顯大于巷道左側(cè)，巷道右側(cè)應(yīng)力峰值為26MPa，為原巖應(yīng)力17.5MPa的1.5倍，巷道左側(cè)應(yīng)力峰值為22MPa，為原巖應(yīng)力的1.3倍；距離巷道 左 幫1.5m 以 內(nèi) 為 應(yīng) 力 降 低 區(qū)，1.5～6.0m范圍內(nèi)為應(yīng)力增高區(qū)；距離巷道右?guī)?m以內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，2～8m范圍內(nèi)為應(yīng)力增高區(qū)。

圖4 巷道垂直應(yīng)力分布云圖

圖5 巷道圍巖垂直應(yīng)力等值線圖

第三，巷道圍巖水平應(yīng)力分析。從圖6和圖7中整體來(lái)看水平應(yīng)力在巷道頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力集中，在巷道兩幫形成應(yīng)力降低區(qū)域，并且底板的高應(yīng)力區(qū)域明顯大于頂板，右?guī)偷牡蛻?yīng)力區(qū)域明顯大于左幫［3］。

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圖6 巷道水平應(yīng)力分布云圖

圖7 巷道圍巖水平應(yīng)力等值線圖

水平應(yīng)力在巷道頂板2～5m范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值達(dá)到30MPa為原巖水平應(yīng)力22.5MPa的1.3倍；在巷道底板3m～10m范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值達(dá)到30MPa為原巖水平應(yīng)力的1.3倍；在巷道左幫2m范圍內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)，其值約為原巖水平應(yīng)力的20%～45%，最小應(yīng)力達(dá)到5MPa；在巷道右?guī)?.5m范圍內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)，其值約為原巖水平應(yīng)力的20%～45%，最小應(yīng)力達(dá)到5MPa。

2）巷道圍巖位移特征分析。

第一，巷道圍巖頂?shù)装逦灰屏刻卣鞣治觥膱D8和圖9中可以看出，巷道無(wú)支護(hù)的底板位移量顯著大于頂板，巷道頂板位移量最大達(dá)到40mm，底板最大位移量達(dá)到140mm，大約是頂板位移量的3.5倍。符合水平應(yīng)力在底板高應(yīng)力區(qū)域顯著大于頂板的特征。

圖8 巷道圍巖z方向位移云圖

圖9 巷道圍巖z方向位移矢量圖

第二，巷道圍巖兩幫位移量特征分析。從圖10和圖11中可以看出，巷道右?guī)臀灰屏棵黠@大于左幫，左幫最大位移量達(dá)到50mm，右?guī)妥畲笪灰屏窟_(dá)到80mm約為左幫位移量的1.6倍，符合巷道右側(cè)垂直應(yīng)力分布的高應(yīng)力區(qū)域大于左側(cè)的特征。

圖10 巷道圍巖x方向位移云圖

圖11 巷道圍巖x方向位移矢量圖

圖12 巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

第三，巷道圍巖塑性區(qū)特征分析。從圖12可以看出，巷道圍巖塑性區(qū)范圍在巷道周圍2m范圍內(nèi)，并且都在錨桿、錨索的控制區(qū)域以內(nèi)，說(shuō)明這種支護(hù)方式起到了很好的支護(hù)效果，控制了圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。但是高水平應(yīng)力影響下巷道底板由于未進(jìn)行有效的支護(hù)措施，導(dǎo)致底板位移塑性區(qū)范圍達(dá)到底板以下6m左右，需要加強(qiáng)底板支護(hù)措施［4］。

3 支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 一次支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

一次支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿支護(hù)方式。

1）錨桿及錨固劑：錨桿采用Φ22mm×3 000mm型，巷道下幫肩部錨桿矩形布置間排距為650mm×750mm，巷道上幫肩部錨桿矩形布置間排距為750mm×750mm，巷道兩幫錨桿矩形布置間排距750mm×750mm，其中接近底板下幫錨桿下扎45°，上幫錨桿下扎30°。錨桿外露長(zhǎng)度50mm，每根錨桿配2卷中速Z2350樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨固，托盤(pán)采用150mm×150mm的正方形8mm厚鋼板壓制成弧形，錨桿均采用配套標(biāo)準(zhǔn)螺母緊固，每根錨桿錨固力不小于12t。加大錨桿預(yù)緊力起到主動(dòng)支護(hù)的效果，預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到3～5t。

2）網(wǎng)片設(shè)計(jì)采用鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)要壓茬連接，搭接不小于100mm，相鄰兩塊網(wǎng)片之間用10號(hào)鐵絲相連接，連接點(diǎn)布置均勻，間距200mm。

3）射混凝土采用普通硅酸鹽水泥，砂為純凈的中砂，石子顆粒直徑為5～10mm。噴射混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度：C20，配合比為水泥∶砂∶石子＝1∶2∶2。速凝劑型號(hào)為J85型，摻入量為水泥重量的2%～3.5%，噴射厚度為150mm。

3.2 二次支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合巷道變形量累計(jì)值、變形速度、施工時(shí)間及施工工序等綜合確定二次支護(hù)時(shí)間。

二次支護(hù)方式：“錨索＋W型鋼帶”加強(qiáng)支護(hù)，必要時(shí)增加桁架支護(hù)。

錨索參數(shù)：Φ17.88×6 300mm 錨索（鋼鉸線），錨固長(zhǎng)度1 500mm，錨固力應(yīng)達(dá)到300kN。

布置方式：錨索滯后迎面20m全斷面打錨索，間排距1 500mm×1 500mm。

桁架暫考慮用“W”鋼帶，沿巷道縱向布置。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某礦北翼回風(fēng)大巷破壞原因進(jìn)行分析，提出了采用等強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)體系，并通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬進(jìn)行模擬分析，主要得出以下結(jié)論：

1）理論計(jì)算了巷道錨桿錨索各技術(shù)參數(shù)。錨桿采用 MSGLD－335／Φ22mm×3 000mm等強(qiáng)螺紋鋼式樹(shù)脂錨桿，2卷Z2350型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，間排距750mm×750mm，采用150mm×150mm的托盤(pán)；錨索采用Φ17.8mm×6 300mm的鋼絞線，間排距1 500mm×1 500mm，每排3根；單根錨索配4根Z2350型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，托盤(pán)采用15mm厚鋼板，規(guī)格300mm×300mm。

2）通過(guò)建立FLAC3D數(shù)值模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬研究，分析得出在采用等強(qiáng)度錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)后北翼回風(fēng)大巷整體穩(wěn)定性較好，巷道圍巖塑性區(qū)及位移矢量范圍減小，巷道變形得到有效地控制。但是高水平應(yīng)力影響下巷道底板由于未進(jìn)行有效的支護(hù)措施，導(dǎo)致底板位移塑性區(qū)范圍達(dá)到底板以下6m左右，底板最大位移量達(dá)到140mm，需要加強(qiáng)底板支護(hù)措施［5］。

［1］ 張曙光.朝川礦一井回采巷道支護(hù)技術(shù)研究［D］.河南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

［2］ 柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35（2）：45－49.

［3］ 于學(xué)馥，鄭穎人.地下工程圍巖穩(wěn)定分析［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1983.

［4］ 高峰.地應(yīng)力分布規(guī)律及其對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究［D］.江蘇：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

［5］ 樊榮金.地應(yīng)力在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.礦山壓力與頂板管理，2004（1）：13－14.