周凱

【摘 要】 文章針對(duì)軟弱復(fù)合頂板巷道易發(fā)生離層、冒頂?shù)膯?wèn)題，以山西某礦4301運(yùn)輸巷為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的研究方法分析了不同軟弱夾層位置對(duì)巷道圍巖變形的影響規(guī)律，提出了“高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+補(bǔ)強(qiáng)錨桿”的聯(lián)合支護(hù)方案，并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：巷道掘進(jìn)期間，巷道頂?shù)准皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為83.17mm和176.55mm，圍巖變形得以良好控制。此研究可為類似軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】 軟弱復(fù)合頂板;夾層層位;數(shù)值模擬;圍巖控制

【中圖分類號(hào)】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2022）01-0004-03

軟弱復(fù)合頂板是指掘進(jìn)巷道頂板巖層由多層軟弱且厚度較薄巖層或軟弱夾層組成。在采掘擾動(dòng)影響下，巷道圍巖易產(chǎn)生離層、冒頂和兩幫較大變形，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，嚴(yán)重影響著巷道掘進(jìn)速率和工作面安全生產(chǎn)。如何設(shè)計(jì)合理有效的軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)參數(shù)，一直是礦山科技人員關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。本文以某礦4301運(yùn)輸巷為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)原支護(hù)條件下巷道圍巖變形情況的分析，采用數(shù)值模擬軟件模擬分析了巷道頂板軟弱夾層位置對(duì)巷道支護(hù)效果的影響規(guī)律，提出了“高預(yù)應(yīng)力錨索+補(bǔ)強(qiáng)錨桿”的支護(hù)方案，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，為類似工況巷道圍巖控制提供了參考。

1工程概況

山西某礦4301工作面為4號(hào)煤層三盤(pán)區(qū)首采工作面，埋深為386.62m～496.88m，平均埋深441.75m。煤層厚度3.54m～6.28m，平均厚度4.91m;煤層傾角1°～5°，平均傾角3°。4301運(yùn)輸巷沿4號(hào)煤底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1362.26m，采用矩形斷面，斷面尺寸為4.6m×3.6m（寬×高）。由礦井地質(zhì)資料和巷道掘進(jìn)揭露實(shí)際情況知，4301運(yùn)輸巷頂板上方約1.2m處有一層平均厚度為0.5m的軟弱夾層。4301工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

2 軟弱夾層位置對(duì)巷道支護(hù)效果影響規(guī)律的數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

根據(jù)4301運(yùn)輸巷實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立尺寸為50m×15m×45m（長(zhǎng)×寬×高）的三維數(shù)值計(jì)算模型。為確保數(shù)值計(jì)算結(jié)果較好地反映巷道開(kāi)挖影響，在模型網(wǎng)格劃分時(shí)，將巷道半徑5m內(nèi)的網(wǎng)格大小劃分為0.5m×0.5m×0.5m，巷道半徑5m外網(wǎng)格大小劃分為1.0m×1.0m×1.0m。模擬采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。邊界條件為：模型底部固定數(shù)值方向位移，模型四周固定水平方向位移，模型上部施加6.25MPa的均布載荷等效上覆巖層重力（按照埋深440m，上覆巖層平均容重14.2kN/m3計(jì)算）。數(shù)值模型中煤巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，數(shù)值計(jì)算幾何模型如圖1所示。

2.2 模擬方案

就軟弱復(fù)合頂板巷道而言，軟弱夾層所處位置是圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)育的關(guān)鍵影響因素之一。由組合梁理論可知，合理的錨桿錨固高度可將復(fù)合頂板相互獨(dú)立的巖層形成一個(gè)組合體，從而有效降低頂板巖層間的錯(cuò)動(dòng)位移，提高頂板整體性。將軟弱夾層與巷道頂板間的垂直距離視為H，將錨桿錨固段與巷道頂板的垂直距離視為h，故軟弱夾層位置與錨桿錨固段高度之間存在三種位置關(guān)系（如圖2所示），分別是：軟弱夾層位于錨桿自由段（Hh）。在數(shù)值計(jì)算中將軟弱夾層厚度設(shè)定為0.5m，錨桿長(zhǎng)度為2.8m，軟弱夾層與巷道頂板距離分別設(shè)置為1m（Hh），對(duì)比分析了巷道開(kāi)挖過(guò)程中軟弱夾層位置對(duì)巷道圍巖變形特征的影響規(guī)律。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

不同軟弱夾層位置影響下巷道塑性區(qū)分布特征如圖3所示。由圖3a可知，當(dāng)軟弱夾層位于錨桿自由段（Hh）時(shí)，由于軟弱夾層與巷道頂板垂直距離較遠(yuǎn)，受巷道開(kāi)挖影響較小，巷道頂板塑性區(qū)范圍較小，錨桿錨固端圍巖未受軟弱夾層影響，巷道支護(hù)效果較好。

3 軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)4301運(yùn)輸巷實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)條件，提出“高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+補(bǔ)強(qiáng)錨桿”的聯(lián)合支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)如下：

3.1頂板支護(hù)

錨桿采用規(guī)格為Φ20mm×2400mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，每排垂直于巷道頂板布置6根錨桿，左右兩端錨桿距巷幫50mm。錨桿托盤(pán)采用規(guī)格為150mm×150mm×10mm的335號(hào)鋼材加工的矩形鋼托盤(pán)。每根錨桿配合使用型號(hào)為MS CK 23/70 Q/YZK 033和MS CK 23/50 Q/YZK 033的樹(shù)脂錨固劑各1卷進(jìn)行加長(zhǎng)錨固。錨桿錨固力為190kN，預(yù)緊力不小于170kN。菱形鐵絲網(wǎng)規(guī)格為5000mm×1000mm，網(wǎng)孔尺寸為50mm×50mm。錨索選用Φ21.8mm×6200mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索，間排距為2000mm×2000mm，每排垂直頂板布置2根，每根錨索配合使用2卷MS CK 23/70 Q/YZK 033和1卷MS CK 23/50 Q/YZK 033樹(shù)脂錨固劑，錨索錨固力不小于220kN，預(yù)緊力不小于200kN。錨索托盤(pán)采用Q345碳素鋼板加工的300mm×300mm×16mm矩形托盤(pán)。

3.2巷幫支護(hù)

錨桿采用Φ20mm×2000mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm，每排布置8根，上下兩肩窩錨桿與水平線呈15°夾角打設(shè)，其余錨桿垂直于巷幫打設(shè)。錨桿托盤(pán)采用規(guī)格為100mm×100mm×10mm的335號(hào)鋼材加工的矩形鋼托盤(pán)。每根錨桿使用1卷MS CK 23/70 Q/YZK 033樹(shù)脂錨固劑。錨桿錨固力不小于160kN，預(yù)緊力不小于140kN。菱形鐵絲網(wǎng)規(guī)格為3500mm×1000mm，網(wǎng)孔尺寸為50mm×50mm。巷道支護(hù)斷面如圖4所示。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為掌握4301運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間巷道圍巖控制情況，在巷道內(nèi)距掘進(jìn)迎頭50m、100m和200m處各布置一個(gè)巷道表面位移測(cè)站對(duì)巷道表面位移進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，巷道掘進(jìn)前30d，巷道圍巖表面位移隨工作面推進(jìn)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明此時(shí)受巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響，巷道圍巖平衡狀態(tài)被打破且新的平衡狀態(tài)尚未形成，圍巖發(fā)生破斷、滑移變形。而在30d以后，巷道圍巖表面位移量隨工作面推進(jìn)增長(zhǎng)速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，且在為期60d的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，巷道頂?shù)准皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為83.17mm和176.55mm，表明所采用的支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖變形取得了較好的控制效果。

5結(jié)語(yǔ)

基于4301運(yùn)輸巷實(shí)際工程地質(zhì)條件，文章采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了不同軟弱夾層位置對(duì)巷道圍巖變形的影響。當(dāng)軟弱夾層位置在錨桿自由段和錨桿錨固段以外時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)范圍較小，圍巖控制效果較好;當(dāng)軟弱夾層位置在錨桿錨固段時(shí)，軟弱夾層塑性區(qū)與巷道圍巖塑性區(qū)貫通，巷道變形較大。

文章提出“高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索+補(bǔ)強(qiáng)錨桿”的聯(lián)合支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：巷道頂?shù)准皟蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為83.17mm和176.55mm，表明所采用的支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖變形取得了較好的控制效果。

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