張智鵬

(孝義市煤炭工業(yè)局，山西 孝義 032300)

1 前言

深部巷道圍巖支護(hù)一直是國內(nèi)眾多學(xué)者研究和重視的一個(gè)課題，深部巷道圍巖支護(hù)效果直接關(guān)系到巷道維護(hù)和使用周期，并且支護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)效益也非常重要。國內(nèi)眾多學(xué)者對巷道支護(hù)方案等研究在業(yè)界取得了廣泛的認(rèn)可，研究結(jié)果顯示不同的支護(hù)方案在圍巖地質(zhì)條件發(fā)生改變時(shí)其支護(hù)效果會(huì)發(fā)生很大的改變。為分析深部巷道錨網(wǎng)索支護(hù)條件下的圍巖變形情況，本文假設(shè)一個(gè)地質(zhì)采礦條件，采用數(shù)值模擬的方法對深部開采錨網(wǎng)索支護(hù)的效果進(jìn)行研究。

2 錨桿支護(hù)效果分析

煤礦生產(chǎn)期間，錨桿支護(hù)在開采淺部時(shí)支護(hù)效果較好，但隨著開采深度的增加，圍巖壓力的加大，巷道支護(hù)效果與淺部相比有很大的差別。頂板下沉、兩幫內(nèi)移，尤其底鼓嚴(yán)重，局部地區(qū)錨桿不同程度的發(fā)生彎曲斷裂、剪斷、拉斷情況，且當(dāng)巷道變形量較大時(shí)，組合構(gòu)件經(jīng)常被壓穿、剪斷，嚴(yán)重影響了支護(hù)效果。

為分析深部巷道采用錨桿支護(hù)時(shí)的圍巖變形情況，收集了河北、河南、山西和陜西等多個(gè)礦井的深部開采兩幫和頂板的圍巖變形觀測數(shù)據(jù)。其中收集到兩幫變形位移數(shù)據(jù)5組，頂板觀測到的位移數(shù)據(jù)6組，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪出的兩幫表面收斂和頂板表面下沉曲線分別見圖1和圖2。

圖1 副暗斜井兩幫位移曲線

圖2 副暗斜井頂板位移曲線

對圖1和2進(jìn)行分析，可看出在錨桿支護(hù)完成后100d內(nèi)巷道的變形速度較快，100d之后變形速度趨緩，但巷道的變形仍然持續(xù)，變形量仍然逐漸增加，觀測到第200d時(shí)兩幫的位移量最大值達(dá)到了240mm，頂板的下沉量最大值達(dá)到了350mm。

從上述的兩組觀測數(shù)據(jù)可以看出，錨桿支護(hù)對深部開采巷道圍巖變形沒有起到有效的控制作用。錨桿的強(qiáng)度低、預(yù)應(yīng)力較低，帶來錨桿支護(hù)的剛度低，支護(hù)效果不理想。隨著時(shí)間的推移巷道變形仍然持續(xù)，錨桿支護(hù)沒有起到預(yù)期的支護(hù)效果。

3 假設(shè)礦井工程概況

假設(shè)某煤礦開采-920m水平，開采區(qū)域煤層傾角4°～7°，傾角較小，地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，無斷層經(jīng)過。根據(jù)礦井開采情況以及煤層賦存條件，副暗斜井從-760m標(biāo)高水平的軌道大巷沿煤層延深至-920m標(biāo)高水平。副暗斜井直接頂為厚3m粉砂巖，老頂為厚6m的中砂巖，直接底為厚3m的細(xì)砂巖，煤層厚度為3.5m。該礦地面標(biāo)高在+80m，二水平副暗斜井的開掘深度為840～1 040m，上覆巖層的平均容重約為25kN/m3。

該假設(shè)煤礦二水平現(xiàn)有支護(hù)方式為錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)如下。

(1)頂板采用金屬錨桿，直徑22mm，長度2 400mm，錨桿間排距為800mm×800mm。全長錨固或加長錨固錨桿用螺紋鋼錨桿。

(2)巷幫支護(hù)。巷道錨桿直徑22mm，長度2 400mm，錨桿間距700mm，排距800mm。設(shè)計(jì)錨固力不低于40kN，根據(jù)巷道斷面、煤層厚度與強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等因素確定巷幫錨桿的形式與參數(shù)。

(3)錨桿孔徑與錨桿桿體錨固段直徑之差保持在6～10mm范圍內(nèi)。

(4)頂板靠巷道兩幫的錨桿向巷道傾斜15°～30°。

為改善深部巷道的支護(hù)效果，經(jīng)過研究在原有錨桿支護(hù)條件不變的基層之上，在兩幫和頂板都加打兩個(gè)錨索以控制巷道圍巖變形，錨索直徑為2cm，錨索長度為600cm。

4 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)效果模擬分析

4.1 數(shù)值模擬模型建立

本次模擬采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，為了更好地反映地下巖體變形本構(gòu)模型選取莫爾—庫侖塑性模型，本次模擬副暗斜井埋深1 100m位置的巷道作為研究對象，模型在X軸方向取60m，在Z軸方向取70m，在Y軸方向取20m作為建模區(qū)域，模型如圖3。

圖3 數(shù)值分析基本模型

4.2 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)效果

4.2.1 位移分析

在錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)條件下，矩形巷道圍巖變形情況在一定程度上得到控制，巷道在開挖支護(hù)完畢達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，如圖4所示。

圖4 錨桿錨索協(xié)同支護(hù)下矩形巷道變形云圖

從圖4a所示的垂直位移云圖可看出，頂板的最大下沉量為133.52mm，最大下沉范圍在頂板錨桿錨索端頭受力區(qū)域；底板的最大底鼓量為94.644mm，最大底鼓量出現(xiàn)在巷道頂板中部位置，并向兩側(cè)逐漸減小。巷道圍巖水平位移云圖4b顯示巷道圍巖的兩幫變形量基本呈現(xiàn)對稱方式，左右?guī)偷奈灰屏糠謩e為105.98mm和105.76mm，受頂板應(yīng)力影響，最大位移范圍主要集中在巷道中下部。

巷道開挖支護(hù)的頂?shù)装逦灰谱兓€如圖5所示。

從圖5可以看出，巷道在開掘之后頂?shù)装鍑鷰r位移發(fā)生強(qiáng)烈變化，變化速率較大，進(jìn)行支護(hù)后，圍巖位移變化速率開始有所下降，直至平穩(wěn)到一個(gè)較為恒定的數(shù)值，頂板位移為84mm，底板位移為62mm。水平方向上兩幫位移曲線變化速率相對垂直方向上頂?shù)装逦灰扑俾瘦^小，兩幫的位移量基本上都在60mm左右，相對平穩(wěn)。

4.2.2 應(yīng)力分析

巷道掘支后的圍巖應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 巷道圍巖變形變化曲線

圖6 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)時(shí)矩形巷道圍巖應(yīng)力云圖

從圖6a可以看出，在錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)條件下，在豎直方向上巷道頂板4～6m范圍內(nèi)受到錨索加固作用，圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了較為明顯的減小，其分布特點(diǎn)為兩幫小、頂?shù)装遢^大；從圖6b可以看出，在水平方向上巷道兩幫2.4～6m范圍內(nèi)，圍巖受到錨桿錨索的加固作用，應(yīng)力由兩幫向外呈現(xiàn)平穩(wěn)增大趨勢，且受底板應(yīng)力集中區(qū)域影響，在兩幫的中下部表現(xiàn)較為明顯，其分布特點(diǎn)為底板和兩幫大、頂板小。

5 結(jié)論

(1)通過實(shí)測分析得出深部巷道采用錨桿支護(hù)時(shí)的圍巖變形量大，巷道的控制效果不佳，在生產(chǎn)中不能滿足生產(chǎn)需求。

(2)采用數(shù)值模擬的方法對采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)后的圍巖位移和受力情況進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示巷道圍巖位移明顯減小，而且巷道應(yīng)力分布均勻。說明采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的巷道穩(wěn)定性得到提高，改善效果明顯。

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