何志輝

(大同煤礦集團(tuán) 煤峪口礦，山西 大同 037041)

隨著中國煤礦逐步轉(zhuǎn)向深部開采，礦井水文地質(zhì)條件變得愈加復(fù)雜，開采造成的突發(fā)事件時有發(fā)生，這對深部軟巖工程的研究進(jìn)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-3]，特別是深部高應(yīng)力復(fù)合型軟巖巷道變形控制成為現(xiàn)階段亟需攻克的難題。軟-硬巖石組成的巷道，由于其抵抗應(yīng)力的差異，在圍巖應(yīng)力及開采擾動的雙重影響下，引發(fā)圍巖應(yīng)力二次疊加，圍巖發(fā)生急劇變形、移動和破壞，形成破裂剪脹現(xiàn)象[4-7]. 深部軟巖巷道合理支護(hù)改進(jìn)是當(dāng)下煤礦生產(chǎn)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，何滿潮等[8]以軟巖大變形機(jī)理為特點(diǎn)，得出了深部軟巖工程巷道大變形理論依據(jù)，并提出了大斷面、預(yù)留量等大變形軟巖巷道支護(hù)新型理念。張體鎮(zhèn)[9]在研究巷道圍巖變形的前提上，采用數(shù)值分析模擬巷道在不同的應(yīng)力條件下，改變支護(hù)后巷道的位移變化，得出了有效的支護(hù)方案[10].

以山西某礦山西組2#煤3201材料巷為研究背景，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測的兩種方法對巷道支護(hù)改進(jìn)進(jìn)行了分析，得出巷道大變形的原因，并在原有支護(hù)基礎(chǔ)上提出新的支護(hù)設(shè)計，有效地解決了巷道的支護(hù)難題，保證了工作面安全生產(chǎn)。

1 工程條件分析

井田內(nèi)主采煤層為山西組2#煤，煤層?xùn)|厚西薄，最薄1.60 m，最厚3.50 m，均厚2.20 m[11]. 2#煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含0～2層夾石，基本頂為細(xì)砂巖，厚度3.5 m，層狀f=5；直接頂為泥巖，易碎、易風(fēng)化，均厚2.5 m，，層狀f=4；煤層均厚2.18 m，黑色，f=2，底板為泥質(zhì)砂巖，均厚3.7 m，f=4.5～5.5. 工作面主要為泥巖、煤和泥質(zhì)砂巖構(gòu)成，煤巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比較松軟、破碎，導(dǎo)致煤層強(qiáng)度低，單軸抗壓強(qiáng)度僅為10 MPa.

2 巷道原巖應(yīng)力實(shí)測與分析

2.1 原巖應(yīng)力測點(diǎn)布置

為進(jìn)一步了解高應(yīng)力條件下的軟巖變形特性，進(jìn)行現(xiàn)場觀測，本次測量總計布置5個測點(diǎn)，其中3201材料巷布置3個測點(diǎn)，西翼回風(fēng)巷布置2個測點(diǎn)(見圖1). 現(xiàn)場使用鉆孔套芯應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力測量，鉆孔套芯共計17 m，應(yīng)力傳感器采用空心包體應(yīng)力型傳感器。

圖1 應(yīng)力測點(diǎn)布置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

3201材料巷和西翼回風(fēng)巷原巖應(yīng)力測量結(jié)果見表1，圖2. 井下最大主應(yīng)力大致呈水平方向，最大水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.15～2.50倍。最大水平構(gòu)造應(yīng)力的方向是沿煤層傾向。采區(qū)順槽煤巷由于其斷面垂直于最大水平應(yīng)力，直接受高應(yīng)力作用，在頂?shù)装逍纬筛邞?yīng)力集中。以往采場順槽兩幫大多炸幫嚴(yán)重，并常伴隨著頂板巖層破碎，底鼓嚴(yán)重，支護(hù)難度較大。因此，保證巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于巷幫的支護(hù)(頂板也同樣重要)，通過采取特殊支護(hù)能有效地減少兩幫的塑性破壞區(qū)，保證巷道圍巖穩(wěn)定。

表1 原巖應(yīng)力測量結(jié)果表

圖2 各測點(diǎn)主應(yīng)力立體網(wǎng)絡(luò)圖

3 支護(hù)方案的確定

針對原巖應(yīng)力分布特征，巷道破壞從幫部的破壞開始，同時由于煤層強(qiáng)度較低，巷道開挖后煤幫內(nèi)應(yīng)力集中，應(yīng)力大幅超過煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，在支護(hù)不足的情況下，煤幫的破壞逐步向深部延深，致使巷道兩幫變形嚴(yán)重，并伴隨著頂?shù)装遄冃?。因此，根?jù)以往支護(hù)設(shè)計與試驗(yàn)段圍巖的實(shí)際情況，本次設(shè)計在巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上提出巷道兩幫及頂板支設(shè)采用注漿錨索配合高預(yù)緊力錨桿錨索的新型支護(hù)方式，支護(hù)設(shè)計參數(shù)見圖3.

圖3 巷道新型支護(hù)方案圖

3.1 頂板支護(hù)方案設(shè)計

巷道頂板采用錨桿、錨索、M4型鋼帶、鋼塑網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂錨桿采用規(guī)格為d22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，間排距為800 mm×800 mm，兩側(cè)頂錨桿距巷幫均為800 mm. 錨桿采用樹脂藥實(shí)現(xiàn)全長錨固，樹脂藥規(guī)格分別為CK2370快速、Z2370中速。巷道頂板每兩排安裝3根強(qiáng)預(yù)拉力中空注漿錨索，五花型布置。錨索規(guī)格為d24.6 mm×7 000 mm，采用全長錨固方式，每根錨索采用一節(jié)CK2370型快速樹脂藥卷，首先實(shí)行端錨，安裝后應(yīng)用氣板機(jī)施加高預(yù)緊力，之后在不影響掘進(jìn)作業(yè)的前提下盡快對錨索注漿，以達(dá)到全長錨固的效果。錨索托盤采用d250 mm圓形托盤，厚度不低于4 mm.

3.2 兩幫支護(hù)方案設(shè)計

巷道兩幫采用錨桿、錨索、鋼帶，金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，其中左幫采用2.2 m長M型鋼帶，右?guī)筒捎?.8 m長M型鋼帶，金屬網(wǎng)采用4～6 mm鐵絲編制而成，錨桿規(guī)格為d20 mm×2 400 mm，間排距為800 mm×800 mm，每兩排安裝2根強(qiáng)預(yù)拉力中空注漿錨索，錨索規(guī)格為d24.6 mm×6 000 mm，錨桿、錨索均采用樹脂藥實(shí)現(xiàn)全長錨固。

4 數(shù)值模擬分析

為更直觀地了解巖層間的界面、巖層內(nèi)的分布以及巖石節(jié)理裂隙，采用UDEC方法對巷道進(jìn)行數(shù)值分析。

4.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)3201材料巷支護(hù)方案現(xiàn)場試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比性數(shù)值模擬，本次模擬模型長40 m×高30 m. 模型內(nèi)的巖煤層分布根據(jù)頂?shù)装邈@孔柱狀圖確定，巖層內(nèi)含有層狀節(jié)理，節(jié)理間距為0.25 ～1.0 m，巷道按實(shí)際尺寸及形狀布置。

4.2 3201材料巷數(shù)值模擬分析

為了解支護(hù)方案改進(jìn)后的巷道成型效果，根據(jù)新舊兩種支護(hù)方案做了對比性數(shù)值模擬，為了剔除因地質(zhì)條件變化而造成的影響，假設(shè)新型支護(hù)方案巷道段的地質(zhì)條件相同。數(shù)值模擬結(jié)果分別見圖4，5.

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)模擬對比圖

圖5 巷道位移模擬對比圖

圖6 新舊支護(hù)方案位移曲線對比圖

由圖4可知，通過對支護(hù)方案的改進(jìn)，巷道兩幫的塑性破壞區(qū)由原有的4 m降低至2 m，低于煤幫支設(shè)的錨桿長度，頂板的塑性深度為5 m，底板塑性破壞區(qū)深度約3 m.

由圖5可知，采用支護(hù)改進(jìn)方案后，巷道位移變形量明顯下降，左幫由109 mm降低至66 mm，右?guī)陀?33 mm下降至65 mm，頂、底板位移變形量由超過130 mm下降至50 mm左右。

5 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，在3201材料分別選取100 m進(jìn)行了新舊支護(hù)方案現(xiàn)場試驗(yàn)，對其巷道位移進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)并制作變形曲線，見圖6.

由圖6可得，通過改進(jìn)支護(hù)，巷道整體圍巖位移得到控制，頂板位移量由133 mm降低至50 mm，兩幫移近量由大于150 mm降低至50 mm以下，巷道圍巖變形量降低了60%～70%，支護(hù)效果顯著，較好地保證了巷道的穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

針對高應(yīng)力、高溫條件下軟巖巷道支護(hù)困難的問題，通過原巖應(yīng)力實(shí)測，得出巷道以水平應(yīng)力為主，垂直應(yīng)力對巷道的穩(wěn)定性幾乎沒有影響，水平應(yīng)力是垂直應(yīng)力的1.15～2.50倍。 設(shè)計了以注漿錨索，高預(yù)緊力錨桿錨索，以及幫部錨索聯(lián)合的新型支護(hù)方式，并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，實(shí)測結(jié)果可知，巷道圍巖變形量降低了60%～70%，較好地保證了巷道的穩(wěn)定，一定程度上降低了巷道的支護(hù)費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用，保證了工作面安全回采。