景 濤，李 兵

(1.陜西省應(yīng)急管理廳，陜西 西安 710001；2.陜西省府谷縣能源局，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著我國淺部煤炭資源逐步衰竭，當(dāng)前煤炭開采已逐步向深部開采發(fā)展。由于煤礦開采深度加大和機(jī)械化程度提高，為滿足煤礦運(yùn)輸及通風(fēng)需要，礦井回采巷道逐漸擴(kuò)大已成為必然趨勢[1]。同時(shí)，巷道斷面不斷增大也提高了巷道支護(hù)的難度，其中以軟巖巷道支護(hù)最為顯著[2-4]。為此，大量學(xué)者對此進(jìn)行研究：何滿潮[5]等根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，結(jié)合理論計(jì)算方法及數(shù)值計(jì)算，針對軟巖巷道提出預(yù)留剛隙柔層支護(hù)技術(shù)；嚴(yán)紅[6]等依據(jù)深部礦井開采過程中大斷面煤層巷道變形破壞特點(diǎn)，提出雙錨索桁架控制系統(tǒng)；楊軍[7]等通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，提出“四控”系統(tǒng)有效控制軟巖巷道各部位變形；李學(xué)彬[8]等通過分析巷道圍巖變形特征，通過理論分析、數(shù)值計(jì)算方法提出高強(qiáng)度鋼管混凝土支架方案以限制巷道圍巖變形破壞；謝生榮[9]等結(jié)合煤礦巷道圍巖破壞機(jī)理，提出了錨噴注強(qiáng)化承壓拱理論；余偉建[10]等借助工程類比等方法，提出應(yīng)加強(qiáng)軟巖巷道二次支護(hù)的相互聯(lián)系與作用，從而提高整體支護(hù)強(qiáng)度。

結(jié)合銅川礦區(qū)某礦大斷面巷道支護(hù)效果差，后期維護(hù)費(fèi)用高等問題，將該礦井530水平東5#進(jìn)風(fēng)斜巷作為研究對象，利用數(shù)值計(jì)算方法，對軟巖大巷道斷面支護(hù)問題進(jìn)行研究。

1 工程概況

東5#進(jìn)風(fēng)斜巷設(shè)計(jì)為半圓拱斷面，總工程量為92.1 m，掘進(jìn)斷面11.79 m2，凈斷面10.2 m2。巷道自起坡點(diǎn)依次穿越石灰?guī)r段、鋁土泥巖及軟巖互層段，巷道在軟巖段施工量為60 m。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研支護(hù)效果，一次支護(hù)在軟巖巷道段效果差，巷道頂板破碎嚴(yán)重。巷道穿越巖層綜合柱狀圖如圖1所示，東5#進(jìn)風(fēng)斜巷布置示意圖如圖2所示。

圖1 巷道穿越巖層綜合柱狀圖

圖2 5#進(jìn)風(fēng)斜巷巷道位置圖

該礦井地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，其中小型節(jié)理、裂隙發(fā)育，斷層多，煤層頂板多有淋水現(xiàn)象。煤層頂?shù)装鍘r性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等，普氏硬度系數(shù)f=2～4，屬松散破碎的軟巖，遇水易崩壞，巷道支護(hù)困難。在巷道掘進(jìn)過程中，由于地質(zhì)原因經(jīng)常前掘后修，極大地降低了掘進(jìn)效率，同時(shí)威脅著礦井安全生產(chǎn)。針對存在的問題，傳統(tǒng)的支護(hù)措施已不滿足該巷道的安全穩(wěn)定需求，故應(yīng)采取優(yōu)化支護(hù)措施。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，對該巷道進(jìn)行數(shù)值模擬。模型為100 m×82 m×80 m(長×寬×高)，滿足圣維南原理的要求。模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格圖

為監(jiān)測巷道在開挖過程中的變形情況，在巷道內(nèi)每隔一段距離將一個剖面設(shè)為觀測站，布置監(jiān)測點(diǎn)，以HYD-1觀測站為例，具體監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 HYD-1觀測站測點(diǎn)布置示意圖

2.2 模擬方案

東5#進(jìn)斜巷道變形及破壞影響因素較多，因此用數(shù)值模擬巷道變形破壞規(guī)律時(shí)，應(yīng)主要對以下情況下巷道的變形破壞特征綜合分析。

巷道支護(hù)方式及參數(shù)：巷道石灰?guī)r段采用噴射混凝土支護(hù)，混凝土噴射厚度150 mm，混凝土強(qiáng)度要求C20級；軟巖段采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)，錨桿間、排距800 mm×800 mm，錨索排距800 mm，間距頂部1.4 m，幫部2 m；錨桿、錨索布置見支護(hù)斷面圖。錨桿規(guī)格選用φ20 mm×2 250 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿；錨索型號選用φ15.24 mm×5 000 mm；混凝土臨時(shí)噴射厚度50 mm；網(wǎng)為圓鋼Q235φ6.5 mm，網(wǎng)格80 mm×80 mm，網(wǎng)與網(wǎng)之間搭接100 mm。

圍巖條件：參考巷道穿越巖層綜合柱狀圖進(jìn)行分析。

支承壓力：回采工作面爆破落煤及采動支承壓力影響。

2.3 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)合礦井各巖層物理力學(xué)參數(shù)，對530水平5#進(jìn)風(fēng)斜巷進(jìn)行數(shù)值模擬。靜載荷條件下斷面y方向分別為10 m、30 m、50 m處巷道圍巖壓力分布情況如圖5～7所示。

a-頂板垂直應(yīng)力分布圖；b-兩幫水平應(yīng)力分布圖圖5 y=10 m處受力情況

a-頂板垂直應(yīng)力分布圖；b-兩幫水平應(yīng)力分布圖圖6 y=30 m處受力情況

由計(jì)算后的各斷面應(yīng)力云圖(圖5～圖8)可以看出：巷道圍巖應(yīng)力隨巷道開挖導(dǎo)致其重新分布，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在巷道的兩幫、底板及拱頂處。在兩幫處的垂直應(yīng)力隨巷道表面距離先增大后減小。自承應(yīng)力較強(qiáng)段是奧灰?guī)r段圍巖，其應(yīng)力集中區(qū)距巷道表面較近，最大垂直應(yīng)力為16 MPa，最大水平應(yīng)力為20 MPa。在圍巖條件變化過程中，軟巖段應(yīng)力變化明顯，其前段圍巖應(yīng)力釋放大，應(yīng)力集中區(qū)距幫部較遠(yuǎn)，最大垂直應(yīng)力為14.1 MPa，最大水平應(yīng)力為18.7 MPa；圖6顯示，在y=30 m處軟巖段下部，由于其巖性強(qiáng)度較低，導(dǎo)致其巷道兩幫處發(fā)生應(yīng)力集中切距圍巖表面最遠(yuǎn)，距離為5 m，在動壓影響過程中，由于巷道底板不存在支護(hù)結(jié)構(gòu)，固其水平應(yīng)力顯著釋放，應(yīng)力值較低。

a-頂板垂直應(yīng)力分布圖；b-兩幫水平應(yīng)力分布圖圖7 y=50 m處受力情況

a-圍巖移動變形與錨桿受力特征；b-現(xiàn)有支護(hù)方案下巷道圍巖位移矢量圖圖8 現(xiàn)有支護(hù)方案下y=14 m斷面巷道位移特征圖

以上分析表明，奧灰?guī)r段圍巖完整性好，自承能力強(qiáng)，現(xiàn)有支護(hù)完全可以滿足支護(hù)要求；巷道軟巖段，因受圍巖條件及地應(yīng)力的影響圍巖受力分布在全長范圍內(nèi)變化較大，現(xiàn)有支護(hù)方式未能充分調(diào)動圍巖自身的承載能力。

從圖9中分析可知，各測站巷道頂、底板圍巖表面至2 m深范圍內(nèi)的圍巖位移值較大，而深度超過2 m后，圍巖位移量顯著減少，深度2 m的測點(diǎn)則為巷道圍巖內(nèi)部移動變形的一個拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前后的位移值相差很大。圖中顯示，軟巖段拐點(diǎn)比灰?guī)r段較深，其主要原因在于灰?guī)r段整體完整，承載能力強(qiáng)。此外，由該圖可得出，軟巖段幫部圍巖變形共出現(xiàn)兩個拐點(diǎn)，兩點(diǎn)間深度差為5 m，這一深度差已超出錨桿錨固有效范圍。

a-巷道頂板變形與煤壁距離關(guān)系；b-巷道底板變形與煤壁距離關(guān)系；c-巷道幫部變形與煤壁距離關(guān)系圖9 巷道頂?shù)装遄冃闻c煤壁距離關(guān)系

該巷道圍巖條件復(fù)雜，覆巖破壞變形后產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力高，傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索噴支護(hù)在動壓影響下已不滿足支護(hù)要求，因此，對巷道實(shí)現(xiàn)卸壓是必要的。單純依靠加大錨桿支護(hù)密度和支護(hù)強(qiáng)度都無法有效支護(hù)巷道，同時(shí)也造成了支護(hù)成本的大幅度增加。

運(yùn)用二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的思想，在一次錨網(wǎng)索噴支護(hù)充分卸壓后，采用U29型鋼大剛度高強(qiáng)度支架作為二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，可以保證巷道在動壓期間保持穩(wěn)定，因此，錨網(wǎng)索噴作為一次支護(hù)的主要作用：一是錨桿支護(hù)是一種主動支護(hù)方式，對巷道施加一定的支護(hù)阻力，能調(diào)動圍巖自身的承載能力；二是由于錨桿支護(hù)是一種柔性支護(hù)方式，作為一種初次支護(hù)，可以對巷道圍巖起到一定的卸壓作用，同時(shí)避免錨桿破斷及冒頂。

3 結(jié)論

(1)由數(shù)值模擬結(jié)果可知，奧灰?guī)r段圍巖完整性好，自承能力強(qiáng)，現(xiàn)有支護(hù)完全可以滿足支護(hù)要求；巷道軟巖段，因受圍巖條件及地應(yīng)力的影響圍巖受力分布在全長范圍內(nèi)變化較大，現(xiàn)有支護(hù)已不滿足巷道支護(hù)要求。

(2)各測站巷道頂、底板圍巖表面至2 m深范圍內(nèi)的圍巖位移值較大，而深度超過2 m后，圍巖位移量顯著減少，深度2 m的測點(diǎn)則為巷道圍巖內(nèi)部移動變形的一個拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前后的位移值相差很大。

(3)大斷面巷道支護(hù)要求效果歷來嚴(yán)謹(jǐn)，當(dāng)前支護(hù)效果已無法滿足，故提出在錨網(wǎng)索噴支護(hù)并卸壓后，通過利用U29型鋼支架作為二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，控制巷道大變形。