李 剛

(山西潞安集團(tuán) 潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

引 言

受埋深、圍巖特性、地質(zhì)構(gòu)造和采掘擾動(dòng)等影響，巷道頂板易形成破碎帶，若不及時(shí)對(duì)破碎帶進(jìn)行處理，在采掘過程中易引起頂板冒落甚至造成頂板事故[1-2]，造成更嚴(yán)重的軟巖巷道事故。利用鉆孔窺視儀觀測(cè)到隨著工作面推進(jìn)，軟巖巷道頂板破碎情況逐漸加劇，巷道變形變大，雖進(jìn)行了初始支護(hù)，仍然出現(xiàn)頂板下沉、底鼓、片幫突出等現(xiàn)象，影響礦井安全生產(chǎn)，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故[3-5]。

本文以孟家窯礦軟巖巷道為研究背景，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬分析等方法研究了巷道頂板破碎帶厚度的不同對(duì)初次支護(hù)效果的影響，并針對(duì)最大破碎帶厚度的情況提出了支護(hù)優(yōu)化方案，為類似情況下的巷道支護(hù)提供一定的參考。

1 工程背景

山西省潞寧孟家窯礦主運(yùn)輸巷圍巖屬于較軟巖層，該巷道為4 m×3 m的矩形巷道。該運(yùn)輸巷所在水平的工作面埋深400 m，上覆巖層主要是泥巖、泥質(zhì)砂巖、泥沙互層等軟弱巖層。隨著工作面向主運(yùn)輸巷方向推進(jìn)，巷道變形問題凸顯，頂板破碎嚴(yán)重，雖然進(jìn)行了初始支護(hù)，仍然出現(xiàn)頂板下沉、底鼓、片幫突出等現(xiàn)象。圖1為工作面與巷道位置關(guān)系圖。主運(yùn)輸巷的初始支護(hù)方案為：錨網(wǎng)支護(hù)，頂板錨桿間排距1 m×1.1 m，幫部錨桿間排距0.8 m×1.1 m，錨桿直徑為20 mm，長度為2 m。

圖1 工作面及巷道布置圖

2 離散元模擬及分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視儀窺視發(fā)現(xiàn)，破碎帶厚度大致可分為1 m、2 m、3 m三種情況。采用離散元軟件UDEC進(jìn)行數(shù)值模擬，將主運(yùn)輸巷頂板破碎帶劃分成隨機(jī)節(jié)理，分別研究頂板破碎帶不同厚度下的錨固效果，設(shè)計(jì)合理的二次加固優(yōu)化方案。

2.1 模型建立與開挖

數(shù)值模擬模型長120 m，高56 m，共6層，其中所開采的煤層厚度為3 m。模擬巷道尺寸長4 m，高3 m，工作面推采至距離巷道左幫5 m時(shí)停采。煤層上覆巖層厚度約為400 m，除去模型中煤層上部巖層厚度40 m，上部需加載載荷為10 MPa。除上部邊界，其他三個(gè)邊界均為法向約束。共建立三個(gè)數(shù)值模擬模型，破碎帶厚度分別為1 m、2 m、3 m，建立的數(shù)值模擬模型如第124頁圖2，建立模型所需要的各巖層物理參數(shù)見第124頁表1。

建完模型并對(duì)模型進(jìn)行賦值后，先對(duì)模型進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡的計(jì)算，計(jì)算完成后，對(duì)模型進(jìn)行開挖巷道，根據(jù)實(shí)際之后情況對(duì)巷道進(jìn)行初始支護(hù)。巷道開挖支護(hù)完成后，對(duì)工作面進(jìn)行回采，工作面每次推進(jìn)5 m，共推進(jìn)15次，推進(jìn)距離為75 m。

圖2 數(shù)值模擬模型

表1 模擬中采用的材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 巷道圍巖變形分析

截取破碎帶厚度分別為1 m、2 m、3 m時(shí)工作面推進(jìn)完成后模型計(jì)算圖，見圖3。

由圖3中可以看出：破碎帶厚度為1 m(圖3a))時(shí)，頂板發(fā)生一定量下沉，頂錨發(fā)生彎曲，兩幫移近量較小，錨桿變形并不嚴(yán)重，底鼓現(xiàn)象明顯；破碎帶厚度為2 m(圖3b))時(shí)，頂板由于隨機(jī)生成的裂隙形狀的原因，較為穩(wěn)定，頂錨幾乎沒有變形，但是兩幫移近量較大，幫部錨桿隨之發(fā)生彎曲，底鼓現(xiàn)象明顯；破碎帶厚度為3 m(圖3c))時(shí)，頂板發(fā)生垮落，部分頂錨被拉斷，兩幫變形也較為嚴(yán)重，幫部錨桿隨之發(fā)生彎曲，底鼓現(xiàn)象明顯，工作面頂板完全垮落，巷道頂板下沉嚴(yán)重，頂錨被嚴(yán)重扭曲，說明錨桿受到極大的剪力。頂板變形程度為破碎帶厚度2 m<1 m<3 m，總體上符合破碎帶厚度越大，頂板變形越嚴(yán)重的客觀規(guī)律。

圖3 巷道圍巖變形圖

2.3 巷道圍巖應(yīng)力分析

為觀察頂板破碎帶節(jié)理分布形式對(duì)頂板上的垂直應(yīng)力分布的影響，對(duì)3個(gè)工況中頂板的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得圖4。

圖4 不同破碎帶厚度頂板垂直應(yīng)力變化趨勢(shì)圖

從圖4中可以看出：三種情況下，巷道頂板垂直應(yīng)力均呈現(xiàn)先增加、后減小的趨勢(shì)，且開始時(shí)工作面離巷道較遠(yuǎn)，頂板垂直應(yīng)力增量較小，隨著距離巷道越近，頂板垂直應(yīng)力增量變大；當(dāng)頂板破壞后，破碎帶形成具有承載力的拱頂后，應(yīng)力值又會(huì)稍微降低。巷道頂板破碎帶厚度最大時(shí)，受工作面采動(dòng)影響，頂板垂直應(yīng)力值也較其他兩種情況大。

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

根據(jù)模擬結(jié)果，選取變形最為明顯的破碎帶厚度為3 m時(shí)的情況進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化。為了減小巷道兩幫和頂?shù)装宓淖冃瘟?，?duì)巷道進(jìn)行了錨固支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，即錨桿進(jìn)行加密，并在頂板中間和靠近工作面一側(cè)加上錨索。錨桿錨索參數(shù)見第 頁表2。由于巷道左側(cè)毗鄰預(yù)留煤柱，為加固煤柱，設(shè)置頂角錨索。具體優(yōu)化方案為：兩幫各打4根錨桿，錨桿間距由原來的0.8 m優(yōu)化為0.7 m；頂板打4根錨桿，錨桿間距由原來的1 m優(yōu)化為0.8 m，另加兩根錨索，圖5為錨桿錨索布置圖，表2為錨桿、錨索物理力學(xué)參數(shù)。

圖5 錨桿錨索布置圖

表2 錨桿、錨索物理力學(xué)參數(shù)

通過對(duì)優(yōu)化方案的模擬，得到巷道圍巖變形圖，見圖6。

圖6 優(yōu)化方案下巷道變形圖

由圖6中可以看出：對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化后，巷道頂板下沉、底板底鼓、兩幫位移等得到了顯著改善。尤其是頂板錨桿，由之前明顯的受剪狀態(tài)變成優(yōu)化后的微量變形狀態(tài)；幫部錨桿受剪狀態(tài)也得到了一定程度的緩解。若現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，配合金屬錨網(wǎng)、支架等圍巖支護(hù)設(shè)備，可以更好地控制巷圍巖變形。

4 結(jié)語

1) 巷道頂板破碎帶厚度越大巷道越不穩(wěn)定，實(shí)際變形量與破碎帶中隨機(jī)節(jié)理形狀有較大關(guān)系。

2) 巷道頂板垂直應(yīng)力隨工作面向巷道推進(jìn)而增加，達(dá)到峰值頂板破壞后，垂直應(yīng)力迅速減小。

3) 對(duì)破碎帶厚度較大區(qū)域，不能只依靠錨桿支護(hù)，應(yīng)采取更加有效的手段，如采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，并增加錨桿、錨索密度等措施來控制巷道圍巖變形。