劉亞軍

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)破碎圍巖的控制技術(shù)做了大量的研究，并得出許多技術(shù)成果[1-4]。由于破碎圍巖賦存環(huán)境及物理力學(xué)參數(shù)差異性較大，采用工程類比法或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)圍巖支護(hù)方案往往給礦井的長期安全生產(chǎn)帶來隱患[5-6]。因此，通過數(shù)值軟件模擬不同加固方案下的支護(hù)效果，同時(shí)結(jié)合礦井的工程實(shí)況，選擇合理的巷道支護(hù)方案，以期保證巷道的長期穩(wěn)定。

1 工程概況

18509 工作面運(yùn)輸巷全長1300 m，沿8#煤層的底板掘進(jìn)，巷道矩形斷面，寬度4.0 m，高度3.0 m。巷道與相鄰已采工作面間留18 m 煤柱。煤層直接頂為泥巖，平均層厚3.5 m；基本頂為砂巖，平均層厚6.7 m；直接底為泥巖，平均層厚2.6 m；基本底為中砂巖，平均層厚4.4 m。18509 工作面運(yùn)輸巷道圍巖比較破碎，巷道頂板、煤柱幫變形量較大，擬采用注漿加固控制巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2 巷道原支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)。頂板錨桿采用Φ22 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿。錨桿排距800 mm，間距800 mm，“六·六”矩形布置。邊角錨桿和頂板角度不小于75°，其余均垂直于頂板布置。每根螺紋鋼錨桿配套規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 的可調(diào)心拱形高強(qiáng)度托盤，球形墊圈配減摩墊圈。每根錨桿配套使用兩支藥卷，上部一支為CK2355 的藥卷，下部一支為K2355 的藥卷。每排錨桿配套使用BHW280-4.5×4800mm 的鋼帶。錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m，錨固力≥190 kN。

錨索采用Φ18.9 mm×8300 mm 的高強(qiáng)度低預(yù)應(yīng)力錨索，間距1200 mm，排距為1600 mm。錨索托板采用長×寬×厚=300 mm×300 mm×14 mm的拱形高強(qiáng)度鐵板，球形墊圈配減摩墊圈。每根錨索配套使用三支藥卷，上部一支為CK2355 的藥卷，下部兩支為K2355 的藥卷。錨索預(yù)緊力≥200 kN，錨固力≥36.3 T。

（2）幫錨支護(hù)。兩幫錨桿采用Φ22 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，間距700 mm，排距800 mm，“三·三”矩形布置。每根錨桿配套使用2 支K2355 樹脂藥卷。錨桿安裝時(shí)采用BHW280-4.5×400mm 的鋼帶托板與150 mm×150 mm×10 mm 的可調(diào)心拱形高強(qiáng)度托盤，球形墊圈配減摩墊圈。錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m，錨固力≥190 kN。

3 加固方案數(shù)值模擬研究

3.1 模型方案

為確定合理的注漿加固方案，采用FLAC3D數(shù)值軟件建立三維計(jì)算模型，分析三種注漿加固方案下圍巖的變形控制效果。

加固方案一：對(duì)巷道頂板及煤柱幫進(jìn)行淺層注漿加固；

加固方案二：對(duì)巷道頂板進(jìn)行淺層+深層相結(jié)合的注漿加固，煤柱幫進(jìn)行淺層注漿加固；

加固方案三：對(duì)巷道頂板進(jìn)行淺層+深層相結(jié)合的注漿加固，煤柱幫進(jìn)行深層注漿加固。

注漿加固方案中圍巖淺部采用注漿管注漿，圍巖深部采用錨索注漿。

3.2 數(shù)值模型建立

所建模型的尺寸長×寬×高為200 m×90 m×60 m，模型總共374 670 個(gè)實(shí)體單元，379 821個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，在模型中，錨桿、錨索采用cable 單元進(jìn)行模擬，混凝土襯砌采用實(shí)體單元Elastic 模型，采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。所建模型如圖1。

圖1 三維數(shù)值模型圖

模型前后左右邊界均設(shè)置為水平約束力；模型的底面設(shè)置為固定約束邊界，使其在任何方向上部發(fā)生位移；模型三維頂部設(shè)置為自由邊界，施加等效荷載。

各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3.3 結(jié)果與分析

在18509 工作面運(yùn)輸巷道開掘期間，不同加固方案下，煤柱幫垂直應(yīng)力以及巷道底板的水平應(yīng)力變化情況如圖2、圖3。

由圖2、圖3 可以看出，加固方案一和加固方案二在煤柱幫均采用淺層注漿方案，二者在注漿范圍內(nèi)的應(yīng)力大體一致；加固方案三在煤柱幫采用深層注漿方案，淺層圍巖應(yīng)力值最大，可知采用注漿錨索進(jìn)行煤柱幫加固，可明顯提高其圍巖的承載能力。

圖2 煤柱幫垂直應(yīng)力變化曲線圖

圖3 巷道底板的水平應(yīng)力變化曲線圖

4 工業(yè)性試驗(yàn)

在18509 工作面運(yùn)輸巷道掘進(jìn)工作面采用方案三實(shí)施注漿加固，巷道的頂板淺層加固采用Φ20 mm、長度2000 mm 的注漿管，間排距為1500 mm×1600 mm；頂板深層加固采用Φ20 mm、長度8300 mm 的中空注漿錨索，間排距為1250 mm×1600 mm；巷道煤柱幫采用Φ20 mm、長度5300 mm 的中空注漿錨索，間排距為1100 mm×1600 mm。注漿加固方案如圖4。

圖4 注漿加固支護(hù)圖（mm）

在18509 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)施工過程中采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形情況。巷道變形曲線如圖5。

圖5 圍巖變形量曲線圖

由圖5 可以看出，在18509 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中，巷道頂板下沉量小于400 mm，巷道兩幫移近量小于660 mm，變形量均處于變形允許范圍。

5 結(jié)語

以18509 工作面運(yùn)輸巷破碎圍巖為工程背景，對(duì)圍巖控制及支護(hù)技術(shù)展開研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）通過數(shù)值計(jì)算得出巷道頂板進(jìn)行淺層+深層相結(jié)合、煤柱幫進(jìn)行深層注漿加固的方案可有效控制巷道破碎圍巖的變形。

（2）采用注漿加固后，巷道圍巖的頂板下沉及兩幫變形量減小，圍巖變形破壞得到了有效控制，表明該加固方案的有效性。