詹 平

(潞安化工集團潞寧煤業(yè)，山西，寧武，036706)

0 引言

經(jīng)過數(shù)十年的開采，我國煤炭井工開采逐漸轉(zhuǎn)入深部[1-6]，深部環(huán)境中巷道和硐室的圍巖應(yīng)力也相應(yīng)升高[7-10]。在深部高應(yīng)力的環(huán)境下，巷道圍巖變形強烈，深部圍巖如果再采用淺部巷道圍巖控制技術(shù)來控制，效果不再明顯，時常造成局部冒頂，危及工人的生命安全。

目前，錨桿索支護理論與支護形式在煤礦普遍應(yīng)用，主要理論為新奧法理論、能量支護理論、軸變理論、聯(lián)合支護理論、圍巖松動圈理論、關(guān)鍵部位耦合組合支護理論、主次承載區(qū)支護理論、應(yīng)力控制理論、圍巖加固理論等，部分理論偏向于提高巷道的圍巖的力學(xué)性質(zhì)，充分利用巷道圍巖體的承載能力，部分理論偏向于被動支護，利用大剛度大強度的被動支護來控制深部巷道圍巖，但共識普遍認為錨桿索聯(lián)合支護形式可以增加圍巖的承載能力[11-17]。錨桿支護技術(shù)我國從80年代開始重點攻關(guān)，通過陸士良、侯朝炯、康紅普、馬念杰等一大批巷道支護專家學(xué)者和現(xiàn)場工程技術(shù)人員共同努力，錨桿支護技術(shù)目前我國已日趨成熟，在一般地質(zhì)條件下采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，在節(jié)理裂隙發(fā)育的破碎圍巖巷道或巷道斷面大等特殊情況下采用有主動與被動方式的聯(lián)合，主要形式有碹體-錨桿(索)、金屬支架-錨桿(索)、金屬支架-錨注等等，實踐表明：錨桿錨固質(zhì)量取決于圍巖條件，巷道圍巖條件差，導(dǎo)致錨桿錨固質(zhì)量得不到保證，引發(fā)錨桿支護大面積失效，甚至引起冒落和片幫，帶來安全隱患以及經(jīng)濟損失[18-21]。因此，本文對矩形巷道支護阻力與圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖變形規(guī)律和支架材質(zhì)、結(jié)構(gòu)與承載能力的關(guān)系開展研究，揭示加載支護阻力下的矩形巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，確定高應(yīng)力破碎圍巖巷道支護形式，為類似條件下礦井支護形式提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 礦井概況

邢東礦的2#煤為主采煤層，采深在600～1300 m，工作面長度602 m，埋深約970 m，傾角約為12°，煤層厚度約3.9 m。工作面布置示意圖如圖1所示。2號煤層平均厚度3 m，直接頂為細砂巖，平均厚度4 m，直接底為粉砂巖，平均厚度3.5 mm。工作面前方圍巖應(yīng)力高，圍巖破壞范圍較大，兩幫支撐失穩(wěn)，支護體嚴(yán)重破壞嚴(yán)重，影響巷道的正常使用。

圖1 工作面布置

1.2 巷道礦壓觀測

巷道表面位移量觀測采用十字布點法，測點布置在223運料巷，10 m為一個測點，共計4組測點。

從圖2(a)可知，第一測點位置，在巷道開挖且支護后的130天內(nèi)，變化速率相對較低的是頂?shù)桶搴蛢蓭蛧鷰r，在120～150天的時間里，巖體的變化呈現(xiàn)出一個突變的過程。觀測期內(nèi)的150天到260天內(nèi)，圍巖變化沒有穩(wěn)定的趨勢。

圖2 副暗斜井圍巖頂?shù)准皟蓭褪諗壳€

從圖2(b)可知，第二測點位置頂?shù)装嬉平吭?4天內(nèi)增加到105 mm，兩幫為51 mm。圍巖在整個觀測周期內(nèi)沒有趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。

從圖2(c)可知，第三測點位置為開挖支護后，頂?shù)装逡平侩S著時間逐漸增大；而前186天兩幫位移量平穩(wěn)增長，但在186～193天劇烈增大，隨后又平穩(wěn)增長。

從圖2(d)可知，第四測點位置隨著開挖支護，頂?shù)装遄冃瘟侩S時間逐漸增大。并且圍巖在觀測周期內(nèi)都沒有趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。

通過對上述圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，認為圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍大是引起深部高應(yīng)力破碎圍巖巷道變形的主要因素，且巷道變形大，流變持續(xù)時間長。

鋼絞線錨索和20MnSi螺紋鋼錨桿是邢東礦現(xiàn)在主要使用的支護材料，對圍巖的控制達不到預(yù)期效果。

2 矩形巷道研究

建立如圖3所示的力學(xué)模型。可視巷道圍巖的分析是平面應(yīng)變問題是因為巷道的寬度和高度遠小于巷道長度。該模型巷道深度與上方的壓力成正比關(guān)系：

P=γH

(1)

式中，H為巷道埋深，m；γ為巖層平均容重，kN/m3，取25。

在圖3中，sP為施加在巷道水平方向的力，側(cè)壓系數(shù)為s表示。研究顯示巷道圍巖受到的水平應(yīng)力比垂直應(yīng)力大。為研究一般條件下的對稱斷面的矩形巷道，取巷道橫截面為2a×2b，為了避免邊界效應(yīng)的影響，該模型大小為5倍巷道尺寸的形狀。

圖3 矩形巷道分析力學(xué)模型

由表1、圖4可知，應(yīng)力值隨斷面高寬比的減小而逐漸增大，并呈現(xiàn)負指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。巷道斷面較大程度地影響著巷幫中部位置的應(yīng)力值分布。

圖4 不同高寬比條件下巷幫中部應(yīng)力值分布

表1 不同高寬比下巷幫中部應(yīng)力值計算表

表2 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道不同位置處應(yīng)力值計算表

續(xù)表

由表3、圖5可知，應(yīng)力值隨側(cè)壓力系數(shù)的增大而逐漸增大，并呈線性關(guān)系，且各部位的應(yīng)力增長率也有差異，在與巷道水平方向呈30°位置處的應(yīng)力增長率比在巷幫中部的位置的增長率高。

表3 圍巖應(yīng)力作用下巷道邊不同位置處應(yīng)力值計算表

圖5 不同側(cè)壓系數(shù)下條件下巷道應(yīng)力值分布

由表4、圖6可知，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了拉應(yīng)力，兩幫出現(xiàn)了壓應(yīng)力，巷道頂?shù)捉浅霈F(xiàn)了最大應(yīng)力值，集中系數(shù)為2.7倍。

圖6 圍巖壓力作用巷道邊應(yīng)力分布

表4 支護阻力作用下巷道邊不同位置處應(yīng)力值計算表

表5 加載支護阻力巷道周邊應(yīng)力分布數(shù)值計算表

經(jīng)過分析和計算給巷道水平方向施加54 kN/m、頂板60 kN/m，滿足當(dāng)前的巷道支護要求。巷幫中部位置至頂板區(qū)域應(yīng)力值減小，當(dāng)?shù)竭_頂板位置時出現(xiàn)劇變。巷幫位置向頂板中部位置應(yīng)力值逐漸增大。加載支護阻力后的圍巖應(yīng)力值明顯低于未加載支護阻力的應(yīng)力值，巷道頂?shù)捉俏恢锰幦杂休^高的應(yīng)力。因此，首先發(fā)生在頂?shù)捉俏恢玫钠茐幕径紩?dǎo)致矩形巷道圍巖的破壞。

從圖7可知，支護阻力對巷道周圍的應(yīng)力分布產(chǎn)生了影響，顯著地減小了角位置處的應(yīng)力集中。因此為了有效地改善巷道的圍巖應(yīng)力分布，減小冒頂概率，提高生產(chǎn)安全性，則必須在巷道開挖后進行及時支護，且要有合理的支護阻力。

圖7 支護阻力作用下巷道邊應(yīng)力分布

圖8 圍巖壓力和支護阻力雙重作用下巷道周邊應(yīng)力值分布

經(jīng)過試驗分析，研究了矩形巷道圍巖應(yīng)力問題，主要得出以下結(jié)論：

(1) 巷道周圍的應(yīng)力分布與矩形巷道斷面的尺寸有很大的關(guān)系，其應(yīng)力值與測壓系數(shù)呈線性關(guān)系，與高寬比呈冪函數(shù)關(guān)系。

(2) 無論是否將巷道的支護阻力考慮其中，矩形巷道圍巖的應(yīng)力分布形態(tài)如下：四個角位置處的應(yīng)力集中大，而四邊的應(yīng)力值則較穩(wěn)定。

(3) 矩形巷道四角處應(yīng)力集中，常發(fā)生剪切破壞，應(yīng)加強支護。

3 數(shù)值模擬

本文對不同支護方式下的圍巖位移、應(yīng)力分布和圍巖塑性區(qū)的大小采用FLAC3D進行了數(shù)值模擬，研究不同支護阻力條件下的巷道圍巖的控制。

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)典型的地質(zhì)柱狀圖來建立模型，如圖9所示，建立的模型斷面尺寸為：24.0×20.0×33.6 m(寬高厚)，共計71680塊，77805節(jié)點。巷道尺寸為：4×3.6 m，巷道周圍劃分較細的網(wǎng)格的每格代表0.2 m。

圖9 模型及斷面圖

3.2 巖體參數(shù)、邊界條件和強度準(zhǔn)則

巖體的物理力學(xué)參數(shù)通過實驗室的測算得到。模擬巷道深度約為800 m，施加在模型上邊界約20 MPa的應(yīng)力主要是由模型上部巖體自重產(chǎn)生的垂直應(yīng)力。水平邊界限制沿x方向的位移和初速度，底邊為限制x、 y、 z方向上的位移和初始速度的固定約束；

模型采用基于彈塑性力學(xué)理論的摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則進行模擬。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1) 側(cè)壓系數(shù)0.5

圖10為支護強度0～0.6 Mpa，側(cè)壓系數(shù)0.5時巷道圍巖應(yīng)力分布。

圖10 側(cè)壓系數(shù)為0.5時不同支護強度下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

(2) 側(cè)壓系數(shù)1

圖11為支護強度0～0.6 Mpa，側(cè)壓系數(shù)1.0時巷道圍巖應(yīng)力分布。

圖11 側(cè)壓系數(shù)為1.0時不同支護強度下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

(3) 側(cè)壓系數(shù)1.5

圖12為支護強度0～0.6 Mpa，側(cè)壓系數(shù)1.5時巷道圍巖應(yīng)力分布。

圖12 側(cè)壓系數(shù)為1.5時不同支護強度下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

(4)側(cè)壓系數(shù)2

圖13為支護強度0～0.6 Mpa，側(cè)壓系數(shù)2.0時巷道圍巖應(yīng)力分布。

圖13 側(cè)壓系數(shù)為2.0時不同支護強度下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

根據(jù)復(fù)變函數(shù)理論，建立了矩形巷道圍巖在有支護情況下的力學(xué)模型，研究了支護阻力對矩形巷道圍巖應(yīng)力的影響，并利用FLAC3D進行數(shù)值模擬，研究了在不同側(cè)壓系數(shù)、不同支護阻力的情況下矩形巷道圍巖的變形和應(yīng)力分布規(guī)律。得出以下結(jié)論：

(1) 矩形巷道圍巖應(yīng)力分布與測壓系數(shù)之間呈線性關(guān)系，與高寬比之間呈冪函數(shù)關(guān)系。無論是否將巷道的支護阻力考慮其中，巷道的頂?shù)捉菓?yīng)力集中現(xiàn)象較其他部位更為突出，巷道開挖后在頂?shù)捉翘幖訌娭ёo，并可設(shè)法將應(yīng)力轉(zhuǎn)向巷道內(nèi)部、巷道斷面或支護形式。

(2) 側(cè)壓系數(shù)、支護強度直接影響著巷道圍巖的破壞深度，在支護強度不同時，其變形量與支護強度呈負指數(shù)關(guān)系，巷道圍巖移近量隨支護強度增大而減??；當(dāng)在支護強度不低于0.3 MPa的情況下，巷道圍巖的變形破壞能達到巷道使用要求。

4 工業(yè)性試驗

4.1 支護參數(shù)設(shè)計

4.1.1 支護原則

對于高應(yīng)力破碎圍巖巷道，一次支護往往很難達到支護目的，一次支護時采用錨網(wǎng)噴的聯(lián)合支護方式(如有必要增加錨索、注漿)。使巷道圍巖達到力學(xué)平衡從而控制其變形速度，使圍巖的變形能得到最大程度的釋放，從而最大限度地發(fā)揮其自身的承載能力；由于一次支護往往很難達到支護目的，需要二次高強度支護，二次支護限制巷道圍巖應(yīng)力向巖體長期強度和巷道圍巖流變狀態(tài)轉(zhuǎn)化，避免圍巖狀態(tài)惡化和承載力降低。

4.1.2 一次支護參數(shù)

在一次支護設(shè)計中，針對邢東煤礦特殊的地質(zhì)情況，提出了相應(yīng)的支護參數(shù)：支護方式采用錨網(wǎng)(索)、鋼梯、W形鋼帶、槽鋼梁聯(lián)合支護，頂板和幫部錨桿規(guī)格Φ20×2400 mm，頂板間距為800×800 mm，幫部間距700×800 mm，頂板錨桿采用4160 mm鋼筋梯，幫部錨桿采用W型鋼帶；錨索規(guī)格Φ17.8×8250 mm，間排距為1600×1600 mm。

4.1.3 二次支護參數(shù)

巷道二次支護由于強度高、剛度大，圍巖不會發(fā)生大的變形，并在一定程度上阻止了圍巖的蠕變，達到安全生產(chǎn)的目的。通過比較分析不同材料下相同結(jié)構(gòu)支架的承載能力，選取合理材料，并根據(jù)邢東煤礦的特殊地質(zhì)情況，研究不同的結(jié)構(gòu)的支架的承載能力，選取合適的支架結(jié)構(gòu)和支護體系。

4.2 施工工藝

4.2.1 一次支護施工工藝

(1) 安裝錨桿

根據(jù)設(shè)計的參數(shù)，在巷道特定地方進行鉆孔。先裝進K2335樹脂錨固劑1支，接著裝MSZ2360樹脂錨固劑1支。安裝錨桿時用錨桿鉆機將錨桿旋入樹脂錨固劑，并至少攪拌35 s，直到錨桿固定后才能將卸下錨桿鉆機。再使用鉆機將螺帽旋緊，并在12分鐘后再次旋緊螺帽，將預(yù)緊力施加在錨桿上，使錨桿錨固力滿足設(shè)計的要求。

(2) 安裝錨索

在錨索端部位置套上專用驅(qū)動頭、擰上導(dǎo)向管。用鋼絞線把樹脂錨固劑送入鉆孔孔底。用錨桿機進行攪拌。樹脂錨固1小時后進行張拉千頂緊上托盤工作，上好錨索托梁。

4.2.2 二次支護施工工藝

首先對巷道進行修理，直至達到設(shè)計斷面后打上Φ22×3000 mm、間排距700×800 mm、S2360和Z2360各1卷樹脂錨固劑的左螺紋鋼高強錨桿，采用φ14 mm的鋼筋梁、φ6冷拔絲金屬網(wǎng)。采用Φ21.8×8500 mm的鋼絞線錨索對頂板進行加固，采用17.8×4500 mm的鋼絞線錨索加強支護幫部圍巖，采用1卷S2360、2卷Z2360(共3卷)的樹脂錨固劑進行錨固，間排距為2000×500 mm。采用工字鋼環(huán)形支架聯(lián)合支護修理后的巷道，試驗巷道工字鋼支架布置及支護效果見圖14～16。

圖14 試驗巷道支護斷面圖

圖15 試驗巷道工鋼支架布置圖

圖16 支護效果圖

4.3 效果監(jiān)測

采用數(shù)顯錨索及錨桿測力計測如圖17所示，實時監(jiān)測錨索及錨桿受力情況，并對錨桿和錨索施工質(zhì)量作出評價。

圖17 錨桿錨索測力計

由圖18可知，幫部錨索支護初始阻力5.4 t，隨著巷道變形錨索延伸支護阻力增加到8.8 t后趨于穩(wěn)定；幫部錨桿支護初始阻力4.3 t，隨巷道變形穩(wěn)定在2.9 t。由圖19可知，發(fā)頂板錨桿支護阻力在4天左右明顯降低，短時間內(nèi)支護阻力起到支護效果，要保證錨桿支護效果，需增加錨桿預(yù)緊力。通過錨桿錨索受力監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該實驗巷道的地質(zhì)條件采用高應(yīng)力破碎圍巖巷道控制技術(shù)，并能達到滿足生產(chǎn)要求的效果。

圖18 第一監(jiān)測站上幫錨桿錨索工作阻力圖

圖19 第二監(jiān)測站頂板錨桿錨索工作阻力圖

5 結(jié)論

(1) 通過改善圍巖體自身力學(xué)性能和提高二次支護加載強度的方法，都能起到控制高應(yīng)力破碎圍巖巷道劇烈變形的效果，但提高二次加載支護強度的方法對圍巖的控制效果要明顯好于改善圍巖本身的力學(xué)性能。所以在改善圍巖本身的力學(xué)性能的同時，大幅增強二次支護強度，圍巖的變形破壞可通過高阻力系統(tǒng)控制。

(2) 通過對矩形巷道的應(yīng)力分布進行分析，得出了其與側(cè)壓系數(shù)呈線性關(guān)系，與高寬比呈冪函數(shù)關(guān)系，巷道的頂?shù)捉菓?yīng)力集中現(xiàn)象較其他部位更為突出，巷道開挖后及時加載支護阻力可以增強矩形巷道頂?shù)捉翘幍闹ёo強度。

(3) 采用數(shù)值模擬方法，揭示出不同支護強度下巷道圍巖變形的變化規(guī)律，隨支護強度增大巷道圍巖移近量減小而呈負指數(shù)函數(shù)關(guān)系，當(dāng)在支護強度不低于0.3 MPa的情況下，巷道圍巖的變形破壞能達到巷道使用要求。

(4) 通過錨桿錨索受力監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該實驗巷道的地質(zhì)條件采用錨桿索主動支護和新型工鋼棚被動聯(lián)合支護形式，滿足礦井安全生產(chǎn)的要求。