李萬(wàn)峰，喬保峰

(淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232001)

0 前 言

煤礦開采中的巷道合理有效支護(hù)一直以來(lái)都是重點(diǎn)研究方向。傳統(tǒng)支護(hù)體系一般采用端頭錨固或加長(zhǎng)錨固支護(hù)技術(shù)，但對(duì)于深部高地應(yīng)力軟巷道支護(hù)效果差，難以控制巷道有害變形；而全長(zhǎng)錨固支護(hù)體系由于具有支護(hù)高剛度和對(duì)圍巖變形反應(yīng)及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，因而能夠有效控制該類巷道變形[1-3]。以兩淮礦區(qū)為例，隨著煤礦開采深度不斷增加，“三高一擾動(dòng)”問(wèn)題更加突出，深部煤層巷道由于巷道支護(hù)強(qiáng)度不夠，造成巷道變形量大，反復(fù)維修，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約著煤礦的快速發(fā)展，對(duì)礦井巷道掘進(jìn)和安全高效開采產(chǎn)生了巨大影響[4-7]。文本以淮南礦區(qū)丁集煤礦某采區(qū)軌道大巷為例，該巷道掘進(jìn)初期穿越上覆采場(chǎng)邊緣應(yīng)力集中區(qū)，巷道變形量大。本文采用全長(zhǎng)錨固支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)研究。

1 全長(zhǎng)錨固支護(hù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1)支護(hù)作用反應(yīng)快。巷道剛開挖時(shí)，圍巖首先從表面位移，逐漸向巖體深處擴(kuò)展。隨著錨桿錨固體(圍巖表面至錨頭之間的巖體)的碎脹變形，全長(zhǎng)錨固錨桿與圍巖的相互作用關(guān)系為：開始時(shí)，尾部桿體載荷首先增長(zhǎng)，隨著圍巖位移向深處擴(kuò)展，錨桿頭部載荷也迅速增長(zhǎng)，桿體最大軸力點(diǎn)由桿體尾部轉(zhuǎn)移到桿體中部。在錨固體碎脹變形作用下，錨桿增阻速度較快，很快達(dá)到較高的徑向錨固力，對(duì)錨固巖體施加圍壓，使圍巖的自承能力得到顯著提高，有效地控制了掘進(jìn)巷道引起的圍巖變形。

2)支護(hù)作用力大。掘進(jìn)巷道時(shí)期錨固力較高，且呈現(xiàn)良好狀態(tài)。在掘進(jìn)巷道影響趨向穩(wěn)定后，錨桿最大軸力達(dá)到峰值，通常接近桿體的屈服強(qiáng)度，錨桿載荷呈現(xiàn)較平穩(wěn)的波動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，錨固體內(nèi)已經(jīng)破裂的巖塊互相擠壓咬合，錨固體對(duì)深處巖體的位移起到擋固作用，保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，抑制了圍巖流變。全長(zhǎng)樹脂錨桿對(duì)錨固體和巖體深處的碎脹變形具有較強(qiáng)的控制和適應(yīng)能力。

2 工程概況

丁集礦某采區(qū)集中軌道大巷-812.3～-825.6 m，該巷道從西至13-1軌道大巷撥門，按245°方位3‰上山施工70 m，然后按270°方位3‰上山施工至經(jīng)線61700附近，工程量共計(jì)2 999 m。巷道掘進(jìn)區(qū)段地層平緩，平均傾角∠1°～4°，根據(jù)鄰近巷道實(shí)際揭露資料、地面瓦斯孔資料分析，施工中預(yù)計(jì)揭露巖層主要有砂質(zhì)泥巖、砂泥巖互層、中細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、中細(xì)砂巖等。

上覆11-2煤：撥門向西202～2 125 m段上覆為1272(3)工作面采空區(qū)，預(yù)計(jì)巷頂距12煤、采空區(qū)底板法距分別為2.2～33.4、4.2～35.2 m；撥門向西2 125～2 999 m段為實(shí)體煤，預(yù)計(jì)巷頂距12煤、13-1煤底板法距分別為33.4～58.9、35.2～60.7 m。巷道自撥門向西施工125.8、144.5 m，為巷頂距12煤底板的7、5 m法距位置；巷道自撥門向西施工99、142、231 m，為巷頂距13-1煤及采空區(qū)底板的10、7、5 m法距位置；

下伏11-2煤：自巷道撥門位置向西355 m段為實(shí)體煤，預(yù)計(jì)巷底距11-3煤(厚0～0.8 m，平均厚0.4 m)、11-2煤(厚0.4～3.2 m，平均厚3.2 m)頂板法距分別為59.5～61.8、61.2～63.5 m;撥門向西355～2 148 m段為1412(1)工作面采空區(qū)，預(yù)計(jì)巷底距11-3煤、采空區(qū)頂板法距分別為61.8～36、63.5～37.7 m；撥門向西2 148～2 999 m段為實(shí)體煤，預(yù)計(jì)巷底距11-3煤、11-2煤頂板法距分別為36～4.9、37.7～6.5 m。

3 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 工程類比法

工程類比對(duì)象為西三采區(qū)回風(fēng)大巷，該巷道長(zhǎng)度3 102 m，揭露的主要巖性為：中砂巖、11-2煤、細(xì)砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、13-1煤等。與本次設(shè)計(jì)巷道平面距離69 m。

巷道施工及使用期間，巷道圍巖變形量可控，滿足巷道使用要求，無(wú)頂板離層現(xiàn)象。

綜上所述，西三采區(qū)回風(fēng)大巷與本次設(shè)計(jì)巷道位于同一采區(qū)，巖性接近，同時(shí)巷道的斷面及支護(hù)設(shè)計(jì)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)安全及使用需要，可作為本次設(shè)計(jì)巷道的類比對(duì)象。

類比后巷道設(shè)計(jì)斷面巷道斷面：半圓拱形斷面，斷面規(guī)格為凈寬×凈高=4200×5400 mm。

3.2 數(shù)值模型優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

3.2.1 計(jì)算模型建立

以丁集煤礦某采區(qū)為工程背景，采用FLac3D軟件對(duì)巷道的支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析。模型尺寸取為150 m×260 m×450 m，巷道斷面為直墻半圓拱形，巷道寬度和高度分別為5.4 m×4.2 m，使用Mohr-Coulomb模型作為圍巖本構(gòu)關(guān)系。

三維模型邊界條件設(shè)置為：側(cè)面四周采用固定水平位移邊界，底部采用固定位豎向位移邊界，頂部為自由邊界，施加豎向地應(yīng)力。根據(jù)地質(zhì)勘探時(shí)地層個(gè)巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果給模型中各巖層附參數(shù)。

3.2.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)(見(jiàn)表1)

表1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.2.3 計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)圖1～2,表2)

圖1 方案1支護(hù)巷道垂直應(yīng)力云圖

圖2 方案2支護(hù)巷道垂直應(yīng)力云圖

表2位移量統(tǒng)計(jì)單位：mm

項(xiàng)目頂板下沉量底板上移量左幫位移量右?guī)臀灰屏糠桨?1051007286方案2160244152174

通過(guò)不同支護(hù)方案的模擬結(jié)果表明：巷道垂直應(yīng)力方面支護(hù)方案1小于支護(hù)方案2，約為其79.3%。巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：巷道頂?shù)装遄冃瘟恐ёo(hù)方案1為支護(hù)方案2的50.7%，巷道兩幫移近量支護(hù)方案1為支護(hù)方案2的48.5%。綜上可以看出采用全長(zhǎng)錨固支護(hù)技術(shù)的方案1在巷道支護(hù)效果上優(yōu)越與端頭錨固支護(hù)的方案2，可見(jiàn)全長(zhǎng)錨固在高地應(yīng)力，圍巖破碎的地質(zhì)條件下支護(hù)效果較好。因此,通過(guò)上述工程類比法和數(shù)值模擬法得出采用全長(zhǎng)錨固+錨索支護(hù)的方式能有效地保證軌道大巷穿越應(yīng)力集中區(qū)的施工安全。

4 工程應(yīng)用情況

施工軌道大巷后，為檢驗(yàn)支護(hù)方案的應(yīng)用效果，在巷道中設(shè)置了測(cè)站，對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線

由圖3可見(jiàn)，巷道掘進(jìn)后，其變形過(guò)程可分為三個(gè)階段：在巷道施工后25天內(nèi)，頂?shù)装搴蛶筒砍士焖僮冃?，最大變形速率? mm/d；隨后25～100天巷道變形減緩，最大變形速率為1.5 mm/d；最后，頂?shù)装搴蛶筒孔冃芜_(dá)到穩(wěn)定，變形增長(zhǎng)很小，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖3可知，巷道斷面的頂?shù)装逡平繛?98 mm，兩幫收縮量為173 mm，巷道變形總體較小，滿足安全生產(chǎn)需要。

5 結(jié) 論

本文以淮南礦區(qū)丁集煤礦某采區(qū)軌道大巷為背景進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)研究，采用全長(zhǎng)錨固支護(hù)+錨索支護(hù)體系作為永久支護(hù)，并采用Flac3D數(shù)值模擬建模優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，得出合理的支護(hù)參數(shù)。巷道支護(hù)整體性較好，變形量較小，較好地解決了深部軟巖巷道支護(hù)難的問(wèn)題，為工程的施工和設(shè)計(jì)提供了一定的參考意見(jiàn)。