藺道資

(同煤集團安全監(jiān)管五人小組管理部軒煤分部，山西 大同 037003)

0 引言

同煤集團某礦井設計產(chǎn)量為240萬t/a，由于礦井煤層最大埋深已經(jīng)超過900 m，屬于深井開采礦井煤礦，其主采的8號煤層為中厚穩(wěn)定型煤層，結構較為簡單。煤層厚度約0.70～3.48 m，頂板主要為細粒砂巖、粉砂巖及泥巖，無裂隙發(fā)育，屬二類有周期來壓頂板；煤層底板為粉砂巖、泥巖，屬松軟-中硬巖石，巖石強度低，抗水、風化以及抗凍性差，易軟化。傳統(tǒng)的棚式支護、低預應力低強度錨桿支護以及被動支護方式已經(jīng)不適于深井軟巖巷道的支護需求，而選取高預應力高強度高剛度錨桿錨索等主動型聯(lián)合支護方式控制巷道高應力變形狀況，則需要考慮巷道周圍地質、圍巖應力等狀態(tài)[1-3]；科學選擇關于支護過程中錨桿、錨索的長度、直徑、用量和排距等參數(shù)，對解決深部復雜軟巖巷道的支護十分重要[4-6]。

1 巷道地質力學測試

1.1 巷道地應力及圍巖強度

觀測站設置：為確定深部巷道的圍巖結構、強度以及地應力狀況，集中在垂深超出900 m井底車場的附近設置3個觀測站。第1測站位于+295水平西翼回風石門臨時變電所處，第2測站位于+280水平充電硐室，第3測站位于+280 m水平西翼軌道石門。

圍巖結構觀測：對巷道頂板上方20 m范圍內的圍巖結構進行觀測。測點頂板上部普遍存在離層和裂隙現(xiàn)象，破壞在淺部更為明顯，同時深部也普通存在軟弱夾層和裂隙，說明巖體自身承載能力弱[7-10]，錨桿支護體系內地質力學條件低，錨固沒能確保范圍內的巖體完整性。

地應力測量：地應力的測量通過水壓致裂法完成，設備采用SYY-56型水壓致裂地應力測量儀，能夠實時采集壓裂過程中的壓力和時間，并能夠得到水力壓裂曲線。3個測點中最大水平主應力最大值為23.36 MPa，最小水平主應力最大值11.51 MPa，垂直應力最大值為23.25 MPa，應力場屬高應力值區(qū)域，而最大水平主應力方向分別為N51.9°E、N35.9°E和N34.7°E。地應力的垂直應力主要作用于巷道兩幫，而水平主應力主要作用于巷道底板，并且最大水平主應力與巷道軸線所形成的夾角會隨角度增加而影響巷道的變形破壞狀態(tài)。

圍巖強度：針對測站附近區(qū)域的頂板和兩幫圍巖進行強度測試，整體表現(xiàn)為巖層強度中等偏低，結合圍巖狀態(tài)分析，巖體中普遍存在裂隙和夾層。同時，匯總厚度圍巖強度測試曲線中頂板淺部巖層強度會明顯小于鉆孔深部巖層強度，并且兩幫在2 m的淺層范圍存在塑性變形。

1.2 巖石成分分析

通過X射線衍射分析法對所采巖樣進行測試得出，詳細比例見表1?？梢?，巷道頂?shù)装鍘r樣以粘土礦物為主，砂質泥巖所占比例最高可達77.4%，而粘土礦物中主要為伊蒙混層，其次為伊利石、綠泥石及高嶺石；而非粘土成分最多的石英最高占非粘土物質的54.6%，其余為少量鉀長石、斜長石方解石、白云石和赤鐵礦。值得注意的是，粘土材料中綠泥石和蒙脫石具有遇水強膨脹性，當所占比例超出8%時導致圍巖具有較強的膨脹性。

表1 巖樣粘土主要礦物成分

2 數(shù)值模擬分析

2.1 圍巖應力分布與變形規(guī)律模擬

通過FLAC3D有限差分分析軟件不同支護條件對巷道圍巖應力分布和變形進行分析研究。分析過程中為避免圍巖應力過大影響模擬條件下錨桿、錨索支護的應力場效果，采用零原巖應力場條件對各類支護狀況進行數(shù)值分析[11-13]。具體為，錨桿不同預緊力(10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN、80 kN)應力分布與變形情況，模擬結果見圖1；不同錨桿直徑(φ18 mm、φ20 mm、φ22 mm)、長度(1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm、2 400 mm)對支護效果影響；錨索根數(shù)(1、2、3根)、長短(4 m、6 m、9 m)對支護效果的影響；排距對支護效果影響(600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm)。

圖1 錨桿預應力大小與圍巖內部壓應力變化關系曲線

2.2 模擬結果分析

錨桿預應力：當預應力只有10 kN時，幫部錨桿預應力能夠擴散至錨桿全長范圍，而頂板錨桿的主要影響范圍集中在錨固段和錨桿尾部。預應力自20 kN增長至50 kN過程，壓應力能夠擴散到整個全長，擴散寬度也呈現(xiàn)線性增長。預應力繼續(xù)增加后，巖體內部壓應力無顯著增長，頂板兩錨桿間的巖體內壓應力增長降緩。

錨桿直徑：錨桿的直徑增加對錨桿的預應力擴散范圍只有小幅度提升，但直徑的增長提高了錨桿自身力學性能，承受巷道大載荷變形的能力增強。

錨桿長度：錨桿長度會影響到垂直方向上預應力擴散范圍，同時水平范圍內有小幅增長，同時模擬結果表明錨桿長度>2.2 m后，錨桿間的預應力在巷道圍巖內能起到良好疊加效果。

錨索根數(shù)：在穩(wěn)定的預應力下，單根錨索會形成橢圓形的壓應力分布區(qū)域；每排存在2個錨索后會在頂板上部2～2.5 m出現(xiàn)少部分應力疊加區(qū)域；每排錨索數(shù)量為3根時，彼此間壓應力區(qū)相互靠近疊加，最終形成扇形的整體支護結構，同時預應力可擴散至大部分錨固范圍內。

錨索長度：錨索長度會影響垂直方向的有效壓應力區(qū)，以及主動支護范圍，但對寬度方向無明顯影響，甚至出現(xiàn)減小趨勢，而且錨索中部及以上區(qū)域的壓應力也會隨長度增長而減弱，相鄰錨索間中部圍巖壓應力也會減小。即相同預應力情況下錨索長度應根據(jù)頂板巖層特點，不宜過長，根據(jù)現(xiàn)場特點，錨索長度宜為4.3 m。

錨索排距：錨索有效壓應力區(qū)正常情況下相對孤立的，隨錨索排距縮小，相鄰錨索間的壓應力區(qū)靠近、疊加，最終與巷道軸線方向一致，但該增加會隨間距縮小到一定程度而不再出現(xiàn)明顯變化。

3 支護方案及效果

14505工作面軌道巷在巷道掘進完成后，采用高預應力高強度高剛度錨桿錨索聯(lián)合的方式進行巷道支護工作。

3.1 支護方案

頂板支護：垂直巷道頂板方向施工30 mm的錨桿鉆孔，間距800 mm，錨桿排距選擇為900 mm，錨桿采用22#左旋無縱筋400號螺紋鋼筋，桿長度2.4 m，尾部螺紋型號M24長度為150 mm。托板選取150 mm×150 mm×10 mm的拱型高強度托盤，護板為450 mm×280 mm×5 mm的W型鋼護板，并選取網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm的φ6 mm鋼筋網(wǎng)進行護頂，錨桿的預緊扭矩應大于400 N·m。沿頂板每兩排錨桿間的中間位置安設錨索，間距分別為600 mm和2 400 mm，排距1 800 mm，錨索φ22 mm 1×19股預應力鋼絞線，長4.3 m，錨固長度1 771 mm，并選取300 mm×300 mm×14 mm高強度拱形可調心托板，錨索預緊力應不小于250 kN。

巷幫支護：巷道兩幫支護同樣適用高預應力高強度高剛度錨桿錨索進行支護，錨桿、錨索以及相關配件選取與頂板支護相同的規(guī)格。錨桿間排距為900 mm，間距800 mm，每排每幫2根錨桿，錨桿預緊扭矩也應大于400 N·m。錨索沿水倉底板布置，排距1 800 mm，間距2 000 mm，每排2根錨索，預緊力不小于250 kN。

底板支護：底板完全采用錨索進行全長預應力錨固方式進行，施長度5 000±50 mm的徑φ56 mm垂直鉆孔，并將錨索前端1 200 mm使用水泥澆筑固化后施加預緊力，再澆筑全長，預緊力為200 kN。錨索選取同規(guī)格錨索，長度調整為5.3 m，每排布置2根錨索，間距2 000 mm，排距1 800 mm，均勻分布于水倉底板。最后通過300 mm×300 mm×14 mm高強度拱形可調心托板以及100 mm×100 mm的φ6 mm鋼筋網(wǎng)覆蓋底板。

3.2 效果分析

對14505工作面軌道巷進行全面的頂?shù)装?、兩幫的位移監(jiān)測，對比新舊2個支護方案的巷道變形狀況，從錨網(wǎng)索布置階段就開始進行監(jiān)測，并將2個方案的頂、底、兩幫的移近量匯總，如圖2、3所示。原支護方案下巷道支護段巷道頂板變形下沉嚴重，兩幫也有嚴重的移近現(xiàn)象，表面有漿皮開裂，巷道支護強度也較低，后期底板也受到兩幫移近而失穩(wěn)。新支護方案下巷道整體變形量減少，兩幫的移動也在10 d后開始穩(wěn)定，兩幫最大移近量為160 mm，兩支護方案相比下，原支護方案的兩幫變形時間也超前于頂?shù)装?，證明了兩幫支護強度較低，最終導致頂?shù)装宓氖Х€(wěn)變形。

圖2 原支護方案巷道移近量

4 結論

(1)在井底車場附近設置3個測試站并通過水力致裂法測得四煤礦高應力深井軟巖巷道圍巖最大水平主應力最大值23.36 MPa，最小值22.79 MPa；最小水平主應力最大值13.48 MPa，最小值11.51 MPa；垂直應力最大值23.36 MPa，最小值22.94。3個測點的最大水平主應力方向分別為N51.9°E、N35.9°E和N34.7°E，表現(xiàn)為最大水平主應力方向呈一致性。

圖3 新支護方案巷道移近量

(2)通過X射線衍射分析法測得巷道頂?shù)装鍘r樣以粘土礦物為主，其中砂質泥巖中粘土礦物含量最高，其值為77.4%，最小值為5.8%。頂?shù)装鍑鷰r存在遇水軟化和膨脹性。

(3)通過數(shù)值模擬分析法對不同支護條件對深部高應力的巷道支護效果進行分析，確定支護方案中各最佳參數(shù)的選取，確保支護對巷道良好支護預緊力和擴散作用。

(4)對試驗巷道進行變形移近量監(jiān)測表明，新支護方案下兩幫移近變形呈穩(wěn)定狀態(tài)的時間提前，明顯改善了巷道頂?shù)装遄冃螤顩r，起到良好的支護效果。