曹黎宏

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭煤焦有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042100）

0 前 言

弱膠結(jié)膨脹軟巖具有膠結(jié)程度差、強(qiáng)度低、膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)。巷道掘進(jìn)過程中，遇到此類地質(zhì)情況會(huì)增大巷道支護(hù)難度。由于該類巖層易破碎，一般距離老頂位置較遠(yuǎn)，運(yùn)用傳統(tǒng)錨桿錨固支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)后會(huì)大面積變形。為解決該問題，現(xiàn)以臺(tái)頭焦煤7202 運(yùn)輸順槽為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬的研究方法對現(xiàn)場已支護(hù)區(qū)域圍巖變形演化規(guī)律進(jìn)行模擬，結(jié)合頂板離層儀觀測數(shù)據(jù)分析巷道嚴(yán)重形變周期。制定弱膠結(jié)軟巖支護(hù)措施，并進(jìn)行后期效果考察。

1 7202 運(yùn)輸順槽概況

山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭煤焦有限公司產(chǎn)能120萬t/a，現(xiàn)主采煤層2 號煤層，平均煤層厚度3.1 m，直接頂板為泥巖，底板為泥巖。所在層位為典型的弱膠結(jié)膨脹地層。7202 工作面設(shè)計(jì)長度1 200 m，切眼長度180 m，7202 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)高度5 m，寬度4 m。巷道采用傳統(tǒng)錨桿支護(hù)，支護(hù)示意圖如圖1 所示。頂部施工錨桿5 根，呈扇形對稱分布。巷道左右兩幫分別施工4 根錨桿。所使用錨桿均為左旋螺紋鋼錨桿，規(guī)格φ20 mm×2 400 mm。

圖1 巷道支護(hù)措施

2 7202 運(yùn)輸巷圍巖變形規(guī)律研究

為研究目前支護(hù)措施能否滿足運(yùn)巷支護(hù)要求，現(xiàn)運(yùn)用耦合模擬軟件模擬巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。假設(shè)煤巖為均勻介質(zhì)，模擬在彈性范圍內(nèi)，頂板壓力0.9 MPa，巖層頂板、底板為泥巖，巖層基本參數(shù)見表1，分別模擬 10、30、60、90、100 d 巷道圍巖變形情況，模擬結(jié)果如圖2 所示。

表1 巖層基本參數(shù)表

由圖2 可知，巷道斷面在第10 d 的時(shí)候，底板出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，第30 d 的時(shí)候頂板和底板同時(shí)出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中的現(xiàn)象，第60 d 頂?shù)装鍛?yīng)力集中情況更為突出，第90 d 時(shí)，頂、底板應(yīng)力集中區(qū)域開始擴(kuò)大，第100 d 到開始應(yīng)力集中范圍擴(kuò)張。根據(jù)以上模擬結(jié)果分析，在未進(jìn)行支護(hù)的狀態(tài)下，第90 d 的時(shí)候頂板開始大面積垮塌，底板大面積底鼓，整個(gè)巷道基本垮塌。

圖2 巷道圍巖應(yīng)力變化情況

為確定數(shù)值模擬結(jié)果是否可靠，本文對現(xiàn)場已支護(hù)區(qū)域安裝的頂板離層儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 頂板離層儀數(shù)據(jù)分析

由圖3 可知，在0~90 d 時(shí)間段內(nèi)，巷道頂板深部數(shù)據(jù)和淺部數(shù)據(jù)均處于不斷增大的趨勢，深部位移在第20 d 基本達(dá)到需要加強(qiáng)支護(hù)的限制，淺部在第10 d 的數(shù)據(jù)達(dá)到需要進(jìn)一步支護(hù)的限制。在第90 d，位移基本持平，整體再未出現(xiàn)增大趨勢，觀測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對比基本一致。通過向回撤那觀察，巷道頂板出現(xiàn)大面積下沉，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，目前的錨固技術(shù)存在安全隱患。綜合分析可知，數(shù)值模擬應(yīng)力分布云圖具有一定的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

3 支護(hù)措施存在的問題

由于錨桿支護(hù)只有頂板能夠施工到硬巖上，底板未進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)，頂板的錨桿支護(hù)分布過于松散，錨桿固定著力點(diǎn)有限，在容易產(chǎn)生巖層破碎的弱膠結(jié)軟巖地層的情況下會(huì)出現(xiàn)大面積底板底鼓，頂板垮落的現(xiàn)象，支撐點(diǎn)為應(yīng)力點(diǎn)，沒有連續(xù)性和整體性，無法整體支撐起整個(gè)巷道破碎巖層的水平位移和豎向應(yīng)變。因此，支護(hù)措施需要進(jìn)一步完善。

4 優(yōu)化后的支護(hù)措施及效果考察

由于弱膠結(jié)周圍圍巖松散，極易垮落，按照數(shù)值模擬分析，在第90 d 左右會(huì)出現(xiàn)大面積底鼓和頂板垮塌現(xiàn)象，因此必須進(jìn)行整體性剛度支護(hù)。設(shè)計(jì)支護(hù)措施如圖4 所示。巷道頂板采用管棚支護(hù)，平向使用工字鋼，工字鋼排間距0.4 m，底板進(jìn)行錨噴和混凝土鋪設(shè)處理，防治底鼓現(xiàn)象的發(fā)生。巷幫也采用了工字鋼的支護(hù)模式，同時(shí)在左右?guī)褪┕ち隋^桿，進(jìn)行了噴漿作業(yè)，防治破碎巖石垮落。

圖4 優(yōu)化后的支護(hù)措施

實(shí)施完成后對安裝的頂板以數(shù)據(jù)進(jìn)行為期100 d 的效果考察，現(xiàn)場對頂板離層儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總。

由圖5 可知，采用管棚結(jié)合工字鋼進(jìn)行支護(hù)后，巷道深部應(yīng)變最大值25 mm，淺部應(yīng)變最大值7 mm，基本在最大值之后再無大的應(yīng)變增長?，F(xiàn)場觀測，巷道整體完整性較好，未出現(xiàn)大幅度變形情況。

圖5 優(yōu)化后巷道頂板離層儀觀測數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文以臺(tái)頭焦煤7202 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)通過弱膠結(jié)軟支護(hù)問題為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測的方法進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1）巷道斷面圍巖頂、底板均出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中的情況，結(jié)合現(xiàn)場頂板離層儀觀測數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果真實(shí)可靠。

2）分析傳統(tǒng)錨固技術(shù)存在的位置主要因?yàn)殄^桿為應(yīng)力點(diǎn)，不具有整體支撐剛度。

3）為解決存在的問題，采用工字鋼結(jié)合管棚支護(hù)技術(shù)，對巷道進(jìn)行了支護(hù)，底板進(jìn)行了混凝土鋪設(shè)的措施，考察結(jié)果顯示，優(yōu)化的支護(hù)措施安全可靠。