任凱鵬

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦，山西 霍州 031400）

1 引言

團柏礦工作面所處位置的周邊是大規(guī)模的破碎圍巖，回風巷因受到周邊采動作業(yè)的影響，應力場作用在圍巖破損區(qū)域上，導致巷道整體出現(xiàn)了大規(guī)模的變形與破壞情況，嚴重影響了巷道的正常使用和安全。本文以探尋該巷道的破壞機制為基礎，結(jié)合UDEC仿真模擬，提出基于“錨棚網(wǎng)噴”的耦合支護策略。

2 工程概況

團柏井田所在位置為朔縣向斜東翼偏東南區(qū)域，表現(xiàn)為一種向西側(cè)傾斜的波動狀態(tài)。自北向南，整個井田內(nèi)地層的走勢出現(xiàn)了極大的變化，以34線為界進行劃分，該線以北區(qū)域地層的整體走向為由南至北，而且該區(qū)域地層未出現(xiàn)較大傾斜，整體傾角保持在5°～6°之間，表現(xiàn)為次級背向斜的形態(tài)，整體起伏非常小且相當廣闊，該界限以南，地層的走向主要有NNE與NNW兩種方向的傾斜，到了37線的南部，地層走向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西方向，而且由南至北傾角最大的區(qū)域甚至超過了30°。

3 破碎圍巖動壓巷道失穩(wěn)機制及控制對策

UDEC程序當前多應用在隧洞、邊坡以及采礦等相關的工程領域，該軟件可以對巖體存在的非連續(xù)性特征進行表示，還能對巖塊滑動、旋轉(zhuǎn)以及墜落等劇烈變形進行模擬。本文在UDEC軟件輔助下，對該礦的進風巷處出現(xiàn)的劇烈變形失穩(wěn)機制展開全面、系統(tǒng)研究。

3.1 數(shù)值計算模型

下圖1為綜合該巷道的現(xiàn)有支護與真實地質(zhì)狀況而確立的針對性數(shù)值計算模型。

此模型的幾何尺寸為：長60m，厚度50m，其中該模型對巖層的具體厚度均做了簡化處理，處理后直接頂、基本頂以及煤層的厚度分別為5.0m、18.4m與5.6m，另外基本底與直接底進行了合并，合并后兩者共厚21m。實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巷道的橫斷面具有兩種主要的節(jié)理，傾角分別為5°與85°，在實際分析時，為了操作方便，特將兩個傾角近似為0°與90°?，F(xiàn)取直接頂節(jié)理的水平與垂直兩間距分別為0.4與0.8m；煤層節(jié)理的兩間距分別為0.2與0.4m；其他巖層節(jié)理對應的兩個間距值為1.0與2.0m。

圖1 數(shù)值計算模型

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以確定該礦此處的巖體材料以及其節(jié)理面的接觸分別滿足Mohr-Coulomb與Coulomb兩項準則。左右側(cè)面與底部的邊界分別在水平和垂直兩個方向固定，頂部是應力邊界，此為該模型的相關邊界條件。通過對現(xiàn)場情況測試、計算，限定計算時垂直與水平應力分別取14.31MPa與13.1MPa，同時側(cè)壓系數(shù)的均值需要保持在0.9。

表1 煤巖體的相關物理力學參數(shù)

3.2 計算結(jié)果及分析

下圖2所示為當前支護狀態(tài)下，圍巖的變形及塑性區(qū)的具體分布情況。

圖2 巷道圍巖變形及塑性區(qū)分布

根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)，確立好巷道支護問題后，巖塊的滑移問題首先出現(xiàn)在兩幫與底板部分，并形成一個主要為張拉破壞的塑性區(qū)域，該區(qū)域最先出現(xiàn)在底板的中部區(qū)域，但是因為后期沒有充分地考慮到控制底板問題，所以在幫部區(qū)域的擠壓下，整個底板的變形迅速提升，隨著張拉破壞的增加，該破壞開始在整個底板中得以體現(xiàn)，同時向著底板下部轉(zhuǎn)移，其中塑性區(qū)的深度最大處已經(jīng)達到了4m，底鼓量更是高達1004mm。巷道兩側(cè)的底角處以剪應力破壞為主出現(xiàn)了應力集中區(qū)，該區(qū)域處于高速擴張狀態(tài)，而且寬度最大時達到了17.8m；煤幫處的支護只用了4根錨桿，這種方式根本無法從整體上提供支護作用，從而出現(xiàn)了較大的變形，最大形變量高達2157mm；煤幫處剪應力的集中區(qū)域表現(xiàn)有極大的層面效應，而且多集中出現(xiàn)在煤層。生產(chǎn)活動中，上述提到的剪切與張拉破壞區(qū)域是穩(wěn)定性最差的部分，需要進行格外的加固和關注。臨空面的上方是頂板的主要破壞區(qū)域，其他部分未出現(xiàn)嚴重破壞。統(tǒng)計顯示，頂板下沉最大時達到了453mm，頂板處的塑性區(qū)域高度最高時達到了8.5m。根據(jù)上述數(shù)據(jù)進行計算可以發(fā)現(xiàn)，此巷道內(nèi)圍巖的變形和破壞均是逐漸發(fā)展的，關鍵區(qū)域一旦受到破壞，隨著工作的進行會影響其他區(qū)域的穩(wěn)定性，圍巖的塑性部分越來越深入，剪切破壞區(qū)域越來越大，圍巖的變形量也隨之提升。所以想要確保巷道始終保持穩(wěn)定，一定要針對關鍵部分及時做出科學、合理的加固方案。

3.3 支護方案設計

根據(jù)上文對該巷道嚴重應變、破壞失穩(wěn)機制的探索，通過分析制定針對性的控制辦法：巷道頂?shù)装宓钠茐呐c變形會受到兩幫的嚴重影響，支護工作最重要的就是強化兩幫處的加固力度，提升其穩(wěn)定性與整體性，主要操作為利用走向錨索梁實現(xiàn)整體控制，將兩幫的剪切與張拉破壞控制到最小；利用底角錨桿與幫角錨梁配合抵抗底板處的形變，降低底板中部出現(xiàn)的張拉破壞與底角處的剪應力集中；利用走向錨索梁抵抗頂板受到的張拉破壞減小其形變；最后對碎裂區(qū)域進行注漿補強，同時令其同錨索(桿)相配合，共同構(gòu)成一種聯(lián)合支護，為巷道的安全、穩(wěn)定提供保證。

（1）頂板支護

錨桿參數(shù)：桿體的長度與直徑分別為2.5m與22mm，材質(zhì)為500號無縱筋的左旋向螺紋鋼，并且其上螺紋長150mm，提供配套螺母。

錨固方式：利用樹脂加長式錨固辦法，所用錨固劑型號為Z2360，每根錨桿配套使用兩支。此外錨固整體長1200mm，配套孔徑30mm。

托盤參數(shù)：采用150mm見方、10mm厚的拱型高強度托盤，同時配備調(diào)心球墊。

錨桿角度：圍繞巷道輪廓垂直安置。

護板規(guī)格：鋼制W型護板，長、寬、厚分別為450mm、280mm與5mm。

網(wǎng)片規(guī)格：本文將塑料網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)進行了配合使用，兩網(wǎng)的規(guī)格參數(shù)相同，均長3000mm，寬800m，網(wǎng)孔為40mm見方。

錨桿布置：錨桿的間距與排距均保持800mm。

錨桿預緊扭矩：預緊時，扭矩至少要達到400N·m。

錨索參數(shù)：所用錨索的直徑為21.8mm，長度為9.0m，由19股鋼線絞制而成，主要特點為松弛預應力低且強度高。錨固時配套使用Z2360與K2335藥卷各兩支，注意保持2416mm的錨固長度。

錨索布置：安置錨索時，每排按照1、2、1的交錯方式進行布置，同時保持每排間隔800mm。錨索安裝于兩排錨桿中間的頂板處，且巷道的輪廓線保持為垂直狀態(tài)。配套使用高強度、帶有調(diào)心球墊、厚16mm、300mm見方的拱型托板。保持錨索張拉的預緊力處于200～250kN范圍內(nèi)。

（2）巷幫的支護

錨桿參數(shù)：桿體的長度與直徑分別為2.5m與22mm，材質(zhì)為500號無縱筋的左旋向螺紋鋼，并且其上螺紋長150mm，提供配套螺母。

錨固方式：利用樹脂加長式錨固辦法，所用錨固劑型號為Z2360，每根錨桿配套使用兩支。此外錨固整體長1200mm，配套孔徑30mm。

托盤參數(shù)：采用150mm見方、10mm厚的拱型高強度托盤，同時配備調(diào)心球墊。

錨桿角度：與巷幫保持垂直。

護板規(guī)格：鋼制W型護板，長、寬、厚分別為450mm、280mm與5mm。

網(wǎng)片規(guī)格：網(wǎng)片為金屬材質(zhì)，長2000mm，寬800m，網(wǎng)孔為40mm見方。

錨桿布置：錨桿的間距與排距均保持800mm，每幫與每排均安置2根。

錨桿預緊扭矩：預緊時，扭矩至少要達到400N·m。

下圖3所示為該巷道的支護斷面狀態(tài)。

圖3 回采巷道錨桿支護布置（單位：mm）

4 現(xiàn)場應用

該礦井的回采巷道通過使用“錨棚網(wǎng)噴”的耦合支護方案，在大托板的作用下，頂板的破碎問題得到了極好的控制，保證了頂板的完整性，同時為防止頂板變形、下沉甚至出現(xiàn)斷裂冒落情況，特利用錨索進行了補強。2～4m處的頂板離層較大，4～6mm出現(xiàn)了一定的離層，6～8m區(qū)域離層未出現(xiàn)明顯變化，從整體來看頂板產(chǎn)生的最大位移僅為24mm，具體信息可見圖4(a)。根據(jù)圖中所示可以發(fā)現(xiàn)2～4m處的頂板控制是工作重點。巷道兩幫處的支護得到強化后，其頂板應力會傳向底板的深處。進行巷道收斂觀測耗費的時間較長，頂板中部以及高幫底部是兩個重點觀測區(qū)域，圖4(b)觀所示為觀測結(jié)果，整體收斂表現(xiàn)為階梯上升狀態(tài)，收斂值最高達到了79mm，面對該現(xiàn)象，需要對巷道的底角強化控制。通過使用高幫異形架可以有效控制變形量，低幫處使用“錨噴網(wǎng)”后穩(wěn)定性大大提升，配合坡煤頂處采取的管棚超前支護，軟煤體的冒落受到了極大抑制，異形架處于良好的受力狀態(tài)，具有極佳的穩(wěn)定性。

圖4 錨棚網(wǎng)噴應用后的狀態(tài)曲線

5 結(jié)束語

（1）巷道的變形與破壞并不是突然產(chǎn)生的，是由關鍵區(qū)域的破壞引起其他區(qū)域失穩(wěn)而最終造成的整體性破壞。

（2）幫部的穩(wěn)定與控制直接影響到整個巷道的穩(wěn)定情況，當前所用的支護方式無法向該區(qū)域破碎的圍巖提供有效的支護，因此圍巖出現(xiàn)了嚴重的變形，此處為支護優(yōu)化、提升的重點區(qū)域。