王國彪

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)能源投資開發(fā)有限公司，山西 太原 030000）

引言

隨著煤炭的不斷開采，我國煤炭的開采環(huán)境逐漸向著深部埋深的方向發(fā)展，因此，我們所面臨的開采難度也變得越來越大。隨著埋深的增加，巷道頂板所承受的應(yīng)力也逐漸增大；同時(shí)，深部煤層往往伴隨著高熱條件，致使巷道圍巖強(qiáng)度下降，力學(xué)性質(zhì)也受到不同程度的影響。對于深部煤炭的開采，往往會(huì)面臨著應(yīng)力水平大、煤炭環(huán)境復(fù)雜的問題，而較高的應(yīng)力水平會(huì)導(dǎo)致巷道變形量大、巷道圍巖穩(wěn)定性相對較差、巷道維護(hù)困難等問題。因此，研究高應(yīng)力水平條件下的軟巖巷道維護(hù)問題顯得尤為重要。

高應(yīng)力水平下的軟巖巷道存在支護(hù)難度大的問題，并且由于巷道所受應(yīng)力水平較高，在后期的維護(hù)過程中巷道往往需要多次的反復(fù)維護(hù)[1]，同時(shí)支護(hù)材料的費(fèi)用較高，使得軟巖巷道維護(hù)的花費(fèi)巨大。軟巖巷道特殊的變形特征使得其在后期的使用過程中會(huì)頻繁出現(xiàn)頂板巖層的離層、片幫及底鼓現(xiàn)象，致使巷道的安全隱患增大[2]，解決軟巖巷道的支護(hù)問題顯得尤為重要。因此，本文借助Flac 軟件針對某礦巷道中的高地應(yīng)力條件下的軟巖巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對比不同參數(shù)下的支護(hù)效果，從而為高應(yīng)力條件下的巷道支護(hù)參數(shù)的確定提供科學(xué)的依據(jù)。

1 工程背景

井田內(nèi)煤層總厚度約為292 m，共含煤層為48層，煤層厚度為0.91～3.04 m 不等，可采煤層數(shù)為7層，現(xiàn)開采的煤層中的煤質(zhì)以焦煤和肥煤為主要煤種，煤層傾角為11°～27°，頂?shù)装鍘r性以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖等力學(xué)性質(zhì)較軟的巖石居多。本文的研究對象為13 號煤層的運(yùn)輸上山巷道，其兩側(cè)為已采空的14 號和12 號煤層，巷道埋深為780 m。由于采動(dòng)影響及上覆巖層重力的疊加效應(yīng)導(dǎo)致上山巷道變形嚴(yán)重，巷道所處位置應(yīng)力高達(dá)25 MPa，且巷道圍巖巖性均屬軟巖，因此該巷道屬高應(yīng)力條件下的軟巖巷道。

2 模型建立

考慮到軟巖巷道在高應(yīng)力條件下破壞嚴(yán)重的位置主要發(fā)生在尖端，因此在建立模型時(shí)考慮將巷道分別設(shè)為圓形、馬蹄形、半圓拱形；巷道原有支護(hù)方式為錨桿錨索加噴漿加U 型鋼的形式，為改善支護(hù)效果，提出錨桿索加灌漿和U 型鋼的支護(hù)方式，兩幫錨桿Φ22 mm×1 600 mm，頂部采用Φ22 mm×2 400 mm、間距800 mm×800 mm，錨索采用Φ21.6 mm×L5 000 mm、間距為1200 mm×1 200 mm，灌漿厚度為550 mm。圍巖力學(xué)參數(shù)、支護(hù)參數(shù)及U 型鋼參數(shù)見表1—表3，其邊界條件的施加見下頁圖1。

3 結(jié)果分析

為分析巷道斷面形狀以及支護(hù)形式對于巷道維護(hù)的效果分析，分別對三種巷道斷面情況下的水平及垂直位移進(jìn)行對比分析。

通過對比分析下頁圖2—圖4 中三種斷面巷道無支護(hù)時(shí)的豎直方向位移可知，對于高應(yīng)力軟巖巷道，無論選取何種巷道斷面形式，在無支護(hù)情況下其頂板下沉量相差不大，因此在巷道開挖后均應(yīng)及時(shí)支護(hù)；圖2—圖4 中三種斷面形式的巷道在采用錨桿索+噴漿+U 型鋼的支護(hù)方式使得頂板下沉量得到了明顯的改善，但半圓拱型巷道的底鼓量缺明顯高于另外兩種形式，其原因在于半圓拱巷道未對底板采取反拱底結(jié)構(gòu)加U 型鋼，致使底板位移量變大[3]；采用錨桿索+灌漿+U 型鋼的支護(hù)方式相比于前者能夠更好的控制頂?shù)装宓奈灰屏?，獲得較好的支護(hù)效果。值得說明的是，半圓拱形巷道相比其他兩種巷道底鼓量依舊最大。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

表2 錨索錨桿參數(shù)

表3 U 型鋼支架力學(xué)參數(shù)

圖1 邊界條件施加示意圖

圖2 圓形巷道兩種支護(hù)方式下垂直變形

圖3 蹄形巷道兩種支護(hù)方式下垂直變形

圖4 半圓拱形巷道兩種支護(hù)方式下垂直變形

通過下頁圖5—圖7 可知，三種斷面巷道在無支護(hù)條件下圓形巷道的兩幫位移量最大約為200 mm，蹄形巷道及半圓拱形巷道水平位移相差不大，為150～160 mm；采用錨桿索+噴漿+U 型鋼進(jìn)行支護(hù)后，三種巷道斷面兩幫變形量均得到改善，其變形量約為未支護(hù)時(shí)的1/3。三種巷道采用錨桿索+灌漿+U 型鋼的方式進(jìn)行支護(hù)后，兩幫位移量顯著減小。圓形巷道位移量僅為8 mm，蹄形和半圓拱形為15 mm 和12 mm；通過分析兩幫位移分布可知，圓形巷道兩幫變形量最小，巷道兩側(cè)圍巖產(chǎn)生變形的范圍較小，能夠很好的保持兩側(cè)圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)；距離巷道一定范圍內(nèi)的圍巖變形中，蹄形巷道兩側(cè)圍巖變形相比半圓拱形兩側(cè)圍巖變形較為協(xié)調(diào)，高應(yīng)變集中區(qū)域較小，但變形量相比半圓拱形要大。

圖5 圓形巷道水平位移云圖

圖6 蹄形巷道水平位移云圖

4 結(jié)論

通過對高應(yīng)力軟巖巷道的變形分析可知：

圖7 半圓拱形巷道水平位移云圖

1）高應(yīng)力軟巖巷道變形量大，在巷道開挖過程中無論采取何種形狀的巷道均應(yīng)采取及時(shí)支護(hù)，利用錨桿索+灌漿+U 型鋼的支護(hù)方式能夠較好的控制頂?shù)装寮皟蓭妥冃巍?/p>

2）在高應(yīng)力條件下的軟巖巷道，對于底鼓嚴(yán)重時(shí)，采用馬蹄形斷面巷道能夠更好的控制底鼓量，圓形巷道次之。

3）高應(yīng)力條件下的軟巖巷道，采用圓形巷道能夠最好的控制兩幫的位移量，并且巷道兩側(cè)圍巖變形協(xié)調(diào)性較好；半圓拱形相比于馬蹄形變形量要小，但兩側(cè)圍巖存在高應(yīng)變集中區(qū)域，應(yīng)注意加強(qiáng)支護(hù)。