王 楊

(山西晉煤集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 047100)

0 引 言

井下工作面回采期間，其兩側(cè)的平巷對(duì)于工作面的服務(wù)作用不言而喻，只有當(dāng)工作面兩側(cè)的平巷圍巖結(jié)構(gòu)完整性較高、收斂位移量較小時(shí)，巷道才能夠較好的完成行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等作業(yè)要求[1-2]。在我國(guó)礦山巷道支護(hù)方面，采用較多的為錨桿/索支護(hù)方法，如何合理的設(shè)計(jì)錨桿/索參數(shù)，以及對(duì)設(shè)計(jì)方案合理性的校核，對(duì)于巷道圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)的意義十分重要。

本文綜合考慮鉆孔地質(zhì)勘測(cè)和地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，在此基礎(chǔ)上對(duì)于巷道掘進(jìn)方向及圍巖支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。后續(xù)通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀(guān)測(cè)相結(jié)合的手段，對(duì)于支護(hù)方案的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果為具有類(lèi)似地質(zhì)條件巷道圍巖的支護(hù)設(shè)計(jì)提供了借鑒和指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

山西晉煤集團(tuán)趙莊二號(hào)井目前主采2301 工作面位于井田內(nèi)的西翼盤(pán)區(qū)，該工作面沿傾向?qū)挒?55m，沿走向長(zhǎng)為595m，其主采3# 煤層平均厚度為4.26m，平均傾角為3°。2301 工作面內(nèi)運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷服務(wù)于工作面開(kāi)采期間，因此對(duì)于工作面兩側(cè)平巷的支護(hù)質(zhì)量有較高的要求。根據(jù)2301 工作面內(nèi)的鉆孔柱狀圖揭示情況，可知2301 工作面煤層頂?shù)装鍘r性分布情況如表1。

表1 2301 工作面煤層頂?shù)装鍘r性情況

由表1 可知，2301 工作面內(nèi)煤層直接頂板為中厚層狀半堅(jiān)硬頂板，但受到煤層巷道沿頂板掘進(jìn)影響，其頂板巖層較為破碎；同理可知巷道底板為中厚層狀堅(jiān)硬底板，底板破碎程度較頂板輕微；由于煤層普氏系數(shù)大于1，且單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為14.0 MPa，由此可見(jiàn)工作面主采3#煤層屬于硬煤，煤體完整性較好。

2 水平構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道影響分析

趙莊二號(hào)井井田內(nèi)地應(yīng)力情況根據(jù)之前在井底車(chē)場(chǎng)配風(fēng)巷內(nèi)（第一測(cè)站）、1304 外回風(fēng)平巷內(nèi)（第二測(cè)站）和東軌大巷內(nèi)（第三測(cè)站）三個(gè)地點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果所確定，其具體測(cè)試參數(shù)情況如表2。

表2 趙莊二號(hào)井地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由表2 可知，三個(gè)測(cè)站中最大水平主應(yīng)力的最大值為14.78 MPa，最小值為13.02 MPa，其對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力為10.15 MPa 和11.95 MPa，可以計(jì)算得到該井田的側(cè)壓系數(shù)λ 取值范圍為1.09～1.46，以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

根據(jù)趙莊二號(hào)井現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，分別對(duì)側(cè)壓系數(shù)λ 取值為1.1、1.2、1.3、1.4 和1.5 時(shí)的5 種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)巷道底板塑性區(qū)范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖1。

圖1 不同側(cè)壓系數(shù)λ 時(shí)巷道底板塑性區(qū)演化規(guī)律

由圖1 可知，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 值由1.1 增大至1.5時(shí)，期間其底板塑性區(qū)深度增幅依次為17.6%、20.4%、22.5%和25.4%，可見(jiàn)底板塑性區(qū)深度隨著側(cè)壓系數(shù)λ 值的遞增而增幅加劇，這意味著在較高的側(cè)壓系數(shù)λ 值影響下，巷道底板破壞深度急劇加大，進(jìn)而造成巷道底板煤巖體的不穩(wěn)定，為后續(xù)底板事故的發(fā)生埋下隱患。

當(dāng)巷道底板破壞深度較大時(shí)，隨著工作面的回采，巷道底板極易受采動(dòng)影響形成的高集中靜載和劇烈動(dòng)載疊加擾動(dòng)影響而誘發(fā)底板沖擊事故，關(guān)于巷道底板的受力破壞機(jī)理如圖2。

圖2 巷道底板破壞力學(xué)模型[3]

由圖2 可知，在較高的側(cè)壓系數(shù)λ 值影響下，巷道底板煤巖體深度方向大范圍處于塑性破壞狀態(tài)，此時(shí)頂板破斷會(huì)產(chǎn)生較為劇烈的動(dòng)載荷σd，并且會(huì)增大覆巖對(duì)巷道兩側(cè)煤體的垂直壓應(yīng)力σy，其與較高的水平構(gòu)造應(yīng)力σx共同疊加作用下會(huì)造成已處于塑性破壞狀態(tài)的巷道底板煤巖體瞬間滑移涌入巷道自由空間內(nèi)，進(jìn)而造成巷道底板沖擊事故。

在對(duì)巷道掘進(jìn)方向進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要讓巷道掘進(jìn)方向盡量與水平構(gòu)造應(yīng)力方向相一致。由表2 可知地應(yīng)力測(cè)試的最大水平主應(yīng)力方向均為北偏東方向，因此將2301 工作面兩側(cè)平巷掘進(jìn)布置為北偏東方向，這樣巷道底板受到的側(cè)壓系數(shù)較小，底板內(nèi)煤巖體處于塑性破壞的深度也較小，有利于后期回采期間巷道底板的維護(hù)。

3 支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)表1 所示的2301 工作面煤層頂?shù)装鍘r性情況，并根據(jù)鄰近盤(pán)區(qū)的支護(hù)方案及可錨性試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)2301 工作面兩側(cè)平巷支護(hù)方案進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，如圖3。其中錨桿的初始錨固力不低于150kN，初始預(yù)緊力矩范圍為300～400N·m，錨索的初始預(yù)緊力不低于250kN。

圖3 巷道詳細(xì)支護(hù)方案

4 支護(hù)方案數(shù)值模擬校核

基于巷道凈斷面尺寸以及表1 所示的2301 工作面煤層頂?shù)装鍘r性情況，采用Flac3D 軟件建立三維數(shù)值模型。根據(jù)彈性力學(xué)中的偏應(yīng)力定義可知，第二偏應(yīng)力能夠直觀(guān)的表示出巖體受到剪切應(yīng)變作用時(shí)變形破壞的本質(zhì)特征[4-5]，因此對(duì)數(shù)值模擬運(yùn)輸結(jié)果采用如式(1)所示的第二偏應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行求解計(jì)算，再采用相應(yīng)的后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行云圖化，最終得到的巷道圍巖第二偏應(yīng)力云圖如圖4。

式中：σ1、σ2和σ3分別表示數(shù)值模擬運(yùn)算求解得到的巷道圍巖中第一、第二和第三主應(yīng)力的大小，MPa。

圖4 巷道圍巖第二偏應(yīng)力分布云圖

從圖4 中2301 工作面兩側(cè)平巷（膠帶平巷、軌道平巷）圍巖中第二偏應(yīng)力演化規(guī)律可以看出，巷道圍巖中第二偏應(yīng)力值整體較小，基本上均小于5 MPa。這表明巷道圍巖在該支護(hù)方案下并未受到大范圍剪切應(yīng)變而十分碎裂，巷道圍巖完整性較好，該支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖受力情況。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)分布情況

從圖5 中2301 工作面兩側(cè)平巷（膠帶平巷、軌道平巷）圍巖中塑性區(qū)分布規(guī)律可以看出，巷道圍巖中拉伸和剪切破壞范圍整體較小，巷道頂板塑性區(qū)深度僅為3.4 m，實(shí)體煤幫塑性區(qū)深度僅為2.5 m，均處于較小的破壞范圍。

可見(jiàn)，從第二偏應(yīng)力和塑性區(qū)分布的角度均可以看出該支護(hù)方案對(duì)于巷道圍巖起到了很好的控制效果，巷道圍巖在該支護(hù)方案下圍巖應(yīng)力環(huán)境良好，而良好的應(yīng)力環(huán)境也保護(hù)了巷道圍巖受拉剪應(yīng)力作用而出現(xiàn)大范圍塑性破壞的可能性。

5 現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀(guān)測(cè)

后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)2301 工作面掘進(jìn)期間，通過(guò)在掘進(jìn)工作面后方50 m 位置處的巷道兩幫和頂?shù)装逯虚g位置處安裝楔形倒釘，并通過(guò)十字觀(guān)測(cè)法[6]來(lái)對(duì)巷道圍巖收斂位移量進(jìn)行觀(guān)測(cè)。分別在膠帶平巷和材料平巷內(nèi)各布置3 個(gè)測(cè)站，通過(guò)對(duì)觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總平均化，可以得到巷道圍巖表面收斂位移量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，如圖6。

圖6 巷道圍巖收斂量觀(guān)測(cè)結(jié)果

由圖6（a）可知，2301 工作面膠帶平巷圍巖表面收斂位移量在巷道掘出后60d 時(shí)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，最終巷道水平收斂位移量為104mm，底板鼓起位移量為191mm，頂板下沉位移量為35mm，膠帶平巷整體收斂位移量均較小，整體收斂位移量控制在5%以?xún)?nèi)；由圖6（b）可知，2301 工作面材料平巷圍巖表面收斂位移量在巷道掘出后80d 時(shí)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，最終巷道水平收斂位移量為55mm，底板鼓起位移量為67mm，頂板下沉位移量為15mm，材料平巷整體收斂位移量也均較小，整體收斂位移量同樣也控制在5%以?xún)?nèi)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采用十字觀(guān)測(cè)法對(duì)巷道圍巖收斂位移量進(jìn)行觀(guān)測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用圖3 所示支護(hù)方案能夠很好的對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制，進(jìn)而提高巷道圍巖整體完整性結(jié)構(gòu)，使得2301 工作面兩側(cè)的膠帶平巷和軌道平巷能夠更好的服務(wù)于2301 工作面的回采作業(yè)中，為后續(xù)工作面回采期間行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等提供良好的作業(yè)環(huán)境。

6 結(jié) 論

1）通過(guò)趙莊二號(hào)井地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，數(shù)值模擬揭示了底板塑性區(qū)深度隨著側(cè)壓系數(shù)λ 值的遞增而增幅加劇，進(jìn)而造成巷道底板煤巖體大范圍處于塑性狀態(tài)。從理論的角度分析了當(dāng)?shù)装迕簬r體大范圍處于塑性狀態(tài)時(shí)，受回采形成的動(dòng)靜載疊加擾動(dòng)作用時(shí)，巷道底板極易誘發(fā)底板沖擊事故。

2）指出巷道掘進(jìn)方向與水平構(gòu)造應(yīng)力方向相一致時(shí)，有利于維護(hù)巷道底板的穩(wěn)定性，進(jìn)而防范巷道底板沖擊事故的發(fā)生。

3）根據(jù)鄰近盤(pán)區(qū)的支護(hù)方案及可錨性試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)2301 工作面兩側(cè)平巷支護(hù)方案進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。并通過(guò)第二偏應(yīng)力和塑性區(qū)演化規(guī)律校核了巷道圍巖支護(hù)方案的合理性。

4）現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀(guān)測(cè)結(jié)果表明2301 工作面兩側(cè)平巷圍巖收斂量均控制在5%以?xún)?nèi)，巷道圍巖在該支護(hù)方案下圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，能夠滿(mǎn)足后續(xù)行人、運(yùn)輸、通風(fēng)要求。