魏國(guó)帥 王 開(kāi) 張小強(qiáng) 張佳飛 王 超

(太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024)

軟巖耦合支護(hù)在復(fù)采空區(qū)二次活化巷道的應(yīng)用

魏國(guó)帥 王 開(kāi) 張小強(qiáng) 張佳飛 王 超

(太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024)

針對(duì)關(guān)嶺山煤礦舊采區(qū)二次活化巷道強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題，分析并確定了巷道變形受舊采區(qū)頂板沖擊地壓和巷道圍巖破碎綜合影響。結(jié)合軟巖巷道耦合支護(hù)理論，通過(guò)工程地質(zhì)條件分析，確定了軟巖類型為偏應(yīng)力—斷層化—膨脹性軟巖(HDS)，變形力學(xué)機(jī)制為IAIIBDIIIAC復(fù)合變形機(jī)制，并確定支護(hù)參數(shù)和5種支護(hù)方案。采用FLAC3D軟件的Extrusion模塊功能，建立舊采區(qū)三維模型，對(duì)確定的方案進(jìn)行數(shù)值模擬，證明了耦合支護(hù)的有效性并進(jìn)行了工程驗(yàn)證。

二次活化巷道 耦合支護(hù) 變形機(jī)制 數(shù)值模擬 工程驗(yàn)證

煤層經(jīng)采動(dòng)后，圍巖彈性變形能充分釋放，變形逐漸趨于穩(wěn)定。由于工程擾動(dòng)造成的孔洞、離層、節(jié)理裂隙飽水等現(xiàn)象的存在，冒落煤矸石再次受到工程擾動(dòng)時(shí)，暫時(shí)的平衡狀態(tài)遭到破壞，極易發(fā)生變形和垮塌現(xiàn)象，即舊采區(qū)冒落煤矸石的二次活化。復(fù)采活化巷道支護(hù)與普通巷道支護(hù)相比，難點(diǎn)在于舊采區(qū)懸露頂板具有沖擊傾向性，易對(duì)活化巷道形成沖擊地壓。此外，由于活化巷道圍巖結(jié)構(gòu)疏松、容重小、孔隙率大、強(qiáng)度低、硬度小等特性，容易產(chǎn)生塑性變形和流變變形。支護(hù)時(shí)除了考慮對(duì)舊采區(qū)頂板可能出現(xiàn)的動(dòng)壓進(jìn)行預(yù)防和支護(hù)外，還需要對(duì)活化巷道進(jìn)行耦合支護(hù)。

本文根據(jù)關(guān)嶺山煤礦活化巷道礦壓顯現(xiàn)情況，結(jié)合軟巖巷道耦合支護(hù)理論，確定復(fù)合變形力學(xué)機(jī)制，并利用FLAC3D軟件建立三維模型，對(duì)不同支護(hù)方案進(jìn)行模擬，驗(yàn)證耦合支護(hù)的優(yōu)越性，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了支護(hù)效果的有效性。

1 工程地質(zhì)條件分析

1.1 工程概況

關(guān)嶺山煤礦3#煤層埋深188 m，厚度3.51 m。由于采煤方法落后，20世紀(jì)使用挖底留頂?shù)姆恐讲擅悍椒ㄆ茐男缘亻_(kāi)采了3#煤下分層約2 m厚的底煤，舊采區(qū)分布如圖1所示。

圖1 舊采區(qū)分布圖

舊采區(qū)斷面尺寸為6 m×4.51 m，受采動(dòng)影響，頂煤垮落將舊采區(qū)充填，直接頂保持相對(duì)完整，形成空隙型空區(qū)，如圖2所示。

圖2 空隙型舊采區(qū)模型圖

1.2 巖體特性分析

3#煤層頂?shù)装辶W(xué)特性見(jiàn)表1。由表1可知，3#煤層頂、底板均為泥巖，強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)松散。

表1 3#煤層頂?shù)装迩闆r表

2 耦合支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 方案分析

根據(jù)對(duì)關(guān)嶺山煤礦工程地質(zhì)條件的分析，確定復(fù)采巷道軟巖類型為偏應(yīng)力—斷層化—膨脹性軟巖(HDS)，變形力學(xué)機(jī)制為IAIIBDIIIAC復(fù)合變形機(jī)制。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察，結(jié)合工程地質(zhì)條件和軟巖巷道耦合支護(hù)理論，確定采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚+背板+破碎圍巖注漿+緩沖層的耦合支護(hù)。

2.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

錨桿桿體選用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋專用錨桿鋼材,極限拉斷力85.2 kN，屈服力為124.6 kN，延伸率18%。錨固劑選用MSZ28/35中速樹脂錨固劑，直徑28 mm，長(zhǎng)度350 mm，每根錨桿使用1卷，每根錨索使用3卷。金屬網(wǎng)選用8#鐵絲編織菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為120 mm×120 mm。

2.2.2 老空區(qū)注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

高水材料采用硫鋁酸鹽水泥作為A料，生料石膏和熟料生石灰及膨潤(rùn)土等按照一定的配比組合作為B料，復(fù)合緩凝劑作為AA料，促凝劑、懸浮分散劑等組成復(fù)合促凝劑作為BB料。

2.2.3 工字鋼棚參數(shù)設(shè)計(jì)

選用11#工字鋼棚，牌號(hào)為20MnK，理論重量為26.1 kg/m，間距為0.7 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用數(shù)值分析軟件FLAC3D的Extrusion模塊創(chuàng)建模型。模型尺寸為120 m×120 m×48 m，煤柱尺寸均按照真實(shí)的尺寸進(jìn)行創(chuàng)建，擴(kuò)幫后煤柱尺寸為30 m×30 m，煤房尺寸為 30 m×2 m，實(shí)體煤及頂?shù)装鍘r層本構(gòu)模型均采用采用庫(kù)倫—莫爾模型，冒落頂煤采用彈性模型，并賦以合適的參數(shù)。三維模型如圖3所示。

圖3 房柱式采煤法三維模型圖

3.2 模擬方案

模型建立后，依照設(shè)計(jì)參數(shù)，分別設(shè)置5種方案進(jìn)行對(duì)比，具體支護(hù)方案見(jiàn)表2。

表2掘進(jìn)巷道最優(yōu)支護(hù)參數(shù)

方案支護(hù)方式1無(wú)任何支護(hù)2錨桿錨索支護(hù)，未對(duì)活化巷道破碎圍巖進(jìn)行注漿3僅對(duì)活化巷道破碎圍巖注漿，無(wú)錨桿錨索4錨網(wǎng)索+注漿+W型鋼帶聯(lián)合支護(hù)5錨網(wǎng)索+工字鋼棚+背板+破碎圍巖注漿+緩沖層耦合支護(hù)

3.3 模擬結(jié)果分析

不同支護(hù)方案屈服破壞示意圖如圖4所示。由圖4(a)和圖4(b)可知，無(wú)支護(hù)和僅錨桿支護(hù)條件下舊采區(qū)頂板破壞范圍可達(dá)2 m，活化巷道受采動(dòng)破壞及舊采區(qū)頂板沖擊載荷的作用下完全破壞。由圖4(c)可知，僅對(duì)活化巷道破碎圍巖注漿條件下，活化巷道兩幫表面及內(nèi)部0.9 m范圍內(nèi)發(fā)生破壞，頂板破壞范圍可達(dá)0.5 m。由圖4(d)可知，采用錨網(wǎng)索+注漿+W型鋼帶支護(hù)方案后，舊采區(qū)破壞范圍得到明顯控制，僅在兩幫及頂角0.5～1 m范圍內(nèi)發(fā)生塑性破壞。但是舊采區(qū)頂板破壞范圍仍可達(dá)2 m，直接頂容易垮落引起沖擊地壓。由圖4(e)可知，活化巷道支護(hù)改為11#工字鋼棚后，活化巷道支護(hù)效果良好。此外在舊采區(qū)內(nèi)采用錨桿錨索支護(hù)，舊采區(qū)頂板破壞范圍減小到0.8 m，頂板離層得到控制，減小了沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 不同支護(hù)方案屈服破壞圖

圖5 不同支護(hù)方案應(yīng)力云圖

采用不同支護(hù)方案的應(yīng)力云圖和應(yīng)力曲線分別如圖5和圖6所示，由圖5和圖6可知，應(yīng)力增高區(qū)位于兩幫3.5～5.5 m范圍內(nèi)，應(yīng)力峰值分別為8.92 MPa、8.90 MPa、8.69 MPa、8.47 MPa和8.39 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.84、1.83、1.79、1.75和1.73，峰值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，表明支護(hù)效果不斷增強(qiáng)。由圖6可知，應(yīng)力曲線呈孤峰型，其中無(wú)支護(hù)方案峰值最大，采用耦合支護(hù)方案峰值最小，表明采用耦合支護(hù)方案后應(yīng)力峰值減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象有所緩解，耦合支護(hù)效果良好。

圖6 活化巷道兩側(cè)應(yīng)力曲線

4 工程實(shí)踐

4.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)方案

為了驗(yàn)證耦合支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)在工程實(shí)踐中的效果，利用頂板離層儀和多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)活化巷道頂?shù)装寮皟蓭蜕畈繃鷰r變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選取軌道大巷以東100～300 m范圍內(nèi)的100 m、140 m、180 m、220 m、260 m和300 m共6個(gè)斷面，分別對(duì)6個(gè)斷面的變形量進(jìn)行分析，并繪制曲線圖。

圖7 兩幫測(cè)點(diǎn)移近量

4.2 圍巖變形分析

采用BOF-EX鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)巷道左右兩幫6 m內(nèi)的深部圍巖移近量進(jìn)行了監(jiān)測(cè), 測(cè)點(diǎn)孔徑為76 mm。測(cè)點(diǎn)布置在距離巷道兩幫表面1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m處，每個(gè)巷幫共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩幫移近量如圖7所示。由圖7可知，巷幫圍巖深部1 m處圍巖移近量最大，可達(dá)18.4 cm，最小為13 cm；巷幫圍巖深部6 m處最大為4.2 cm，最小僅為0.2 cm。

采用ZKBY型托盤型頂板離層儀對(duì)頂板變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)共3個(gè)，分別布置在巷道頂板中央距頂板表面1 m、2 m和3 m處。頂板移近量如圖8所示。

圖8 頂板測(cè)點(diǎn)下沉量

由圖8可知，距頂板內(nèi)部1 m處下沉量最大可達(dá)到8.5 cm，最小下沉量?jī)H為4.5 cm，頂板內(nèi)部3 m處下沉量達(dá)到5 cm，在巷道100 m斷面處，頂板表面下沉量為4.3 cm，最小下沉量為1.8 cm。

綜上可知，采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚+背板+破碎圍巖注漿+緩沖層耦合支護(hù)后，對(duì)二次活化巷道圍巖起到了良好的支護(hù)作用，能夠滿足正常安全生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合關(guān)嶺山煤礦現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)及空隙型舊采區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出二次活化巷道圍巖破壞是舊采區(qū)頂板沖擊地壓和活化巷道軟巖破碎雙重作用的結(jié)果，巷道支護(hù)時(shí)應(yīng)綜合考慮減小沖擊傾向性和阻止破碎軟巖塑性變形及流變變形。

(2)類比二次活化巷道與軟巖巷道在性質(zhì)、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，確認(rèn)二者在破壞和變形機(jī)制上的相似性。引入軟巖巷道耦合支護(hù)理論并對(duì)工程地質(zhì)條件、圍巖特性進(jìn)行分析，確定二次活化巷道軟巖類型為偏應(yīng)力—斷層化—膨脹性軟巖(HDS)，變形力學(xué)機(jī)制為IAIIBDIIIAC復(fù)合變形機(jī)制。

(3)根據(jù)軟巖類型和變形機(jī)制，有針對(duì)性的提出采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚+背板+破碎圍巖注漿+緩沖層耦合支護(hù)，并通過(guò)方案對(duì)比、數(shù)值模擬、工程驗(yàn)證等方式肯定了耦合支護(hù)的效果，確認(rèn)該支護(hù)方式適用于二次活化巷道。

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Applicationofsoftrockcouplingsupportinsecondaryactivationroadwayatresidualmininggob

Wei Guoshuai， Wang Kai， Zhang Xiaoqiang， Zhang Jiafei， Wang Chao

(Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

Aiming at the occurrence of strong mining pressure in secondary activation roadway in residual mining area of Guanling Mountain Mine, the deformation of the roadway affected by roof rock burst and brittle roadway surrounding rock was analyzed and determined. Combined with soft rock roadway coupling support theory, through the geological engineering condition analysis, the soft rock type was considered as the partial stress-fault-expansion soft rock(HDS), the deformation mechanics mechanism was IAIIBDIIIACcompound deformation mechanism and thus the support parameters and five support programs were determined. Using the Extrusion module function in FLAC3D software, the three-dimensional model of residual mining area was established, and the numerical simulation of the scheme verified the effectiveness of coupling support and engineering validation.

secondary activation roadway, coupling support, deformation mechanism, numerical simulation, engineering verification

TD353

A

魏國(guó)帥，王開(kāi)，張小強(qiáng)等. 軟巖耦合支護(hù)在復(fù)采空區(qū)二次活化巷道的應(yīng)用 [J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(11)：64-68.

Wei Guoshuai，Wang Kai，Zhang Xiaoqiang, et al. Application of soft rock coupling support in secondary activation roadway at residual mining gob [J]. China Coal，2017,43(11)：64-68.

魏國(guó)帥(1992-)，男，山西陽(yáng)泉人，碩士，主要從事礦山壓力與巖層控制研究。

(責(zé)任編輯 陶 賽)