曹晟銘 婁培杰,2 蘇金鑫 趙 石 劉 虎

（1.安徽理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.江西省地質(zhì)環(huán)境與地下空間工程研究中心，江西 南昌 330013）

0 引言

我國的煤炭資源相對比較豐富，但是煤礦分布不規(guī)律，煤炭資源所處的地理位置與空間位置都有所不同［1-2］，所以針對某些區(qū)域內(nèi)相似巖性、相似條件的巷道，選擇其中的一條巷道通過數(shù)值模擬與試驗分析，為類似工況的巷道在支護(hù)設(shè)計和施工時提供參考和指導(dǎo)。礦井巷道圍巖變形控制是開采煤炭的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，巷道的穩(wěn)定對于煤礦開采的產(chǎn)量、人員的安全作業(yè)、巷道的維護(hù)都有重要影響，因此控制巷道變形，使其穩(wěn)定性趨好能夠促進(jìn)安全保障的提高、效率的提升和經(jīng)濟(jì)效益的最大化［3］。巷道圍巖變形控制的方法有錨桿支護(hù)、錨桿錨網(wǎng)支護(hù)、錨桿錨梁支護(hù)、U 型鋼支護(hù)、工字鋼三節(jié)棚支護(hù)等［4-5］。通過地質(zhì)調(diào)查分析，蘆嶺Ⅲ4 采區(qū)軌道上山巷道巖性整體呈膨脹性，此類巷道在開掘過程中所需的支護(hù)強(qiáng)度較大，若支護(hù)強(qiáng)度不夠或者支護(hù)不及時，往往會使淺部圍巖出現(xiàn)大面積垮落。本研究針對此類巷道，經(jīng)過現(xiàn)場勘察、試驗和模擬，提出了錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的方式，支護(hù)效果符合預(yù)期。

1 Ⅲ4采區(qū)軌道上山巷道工程概況

Ⅲ4軌道上山巷道地表位置位于蘆嶺—朱仙莊運(yùn)煤鐵路三角帶以北，礦井西塌陷區(qū)東部，地表均為農(nóng)田。Ⅲ4采區(qū)煤層整體呈傾向北的單斜構(gòu)造［6］，Ⅲ4采區(qū)范圍如圖1 所示。Ⅲ4 軌道上山巷道井下位置位于Ⅲ4 采區(qū)中西部，撥門處東部為Ⅲ4 采區(qū)東翼（未準(zhǔn)備），南部為Ⅲ4采區(qū)回風(fēng)巷、-590 西軌大巷、-590西皮大巷，西部為-590西軌大巷、-590西皮大巷、Ⅲ4采區(qū)西翼（未準(zhǔn)備），北部為蘆嶺礦深部礦井邊界。Ⅲ4軌道上山巷道平面如圖2所示。Ⅲ4軌道上山設(shè)計長度1 250.6 m，其中設(shè)計坡度3%。施工長度合計43.4 m，設(shè)計-14°施工長度600 m，設(shè)計-16°施工長度607.2 m，巷道設(shè)計標(biāo)高-578.3～-890 m。根據(jù)周邊巷道實際揭露、勘探鉆孔資料分析，該區(qū)域巖層傾角為10°~29°，平均15°巷道施工巖性以泥巖、砂巖為主。泥巖呈灰色、塊狀，局部含鋁質(zhì)及菱鐵鮞子，含植物化石碎片，較破碎；粉砂巖呈灰色、塊狀，局部含植物化石碎片；細(xì)砂巖呈灰色、塊狀，局部見方解石脈。

圖1 Ⅲ4采區(qū)范圍示意

圖2 Ⅲ4軌道上山平面

2 SEM掃描電鏡實驗與EDS能譜分析

2.1 巖石取樣

在Ⅲ4軌道上山巷道內(nèi)，分別對頂板，底板及其他位置進(jìn)行巖石取樣，取樣樣品如圖3 所示。對巖樣進(jìn)行加工處理，處理好的樣品如圖4所示。

圖3 取樣樣品

圖4 加工后的樣品

2.2 巖樣電鏡掃描

采用電鏡掃描法，分別對所取的4 個不同位置的巖樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，分析其構(gòu)造和特點(diǎn)，部分掃描結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 底板巖樣掃描電鏡結(jié)果

圖6 頂板巖樣掃描電鏡結(jié)果

通過檢測可以發(fā)現(xiàn)，頂?shù)装逵蔁o一定輪廓的鱗片狀單元堆積而成，是典型的蒙脫石形貌，能明顯看出顆粒間裂隙發(fā)育較為明顯，且單晶顆粒本身有原生溶蝕孔洞，這有利于水分在巖石顆粒之間流動，又因為蒙脫石遇水后很容易產(chǎn)生膨脹，會進(jìn)一步導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低。

2.3 EDS能譜分析

利用電子能譜儀對巖樣的化學(xué)元素和含量進(jìn)行檢測，底板巖樣檢測能譜圖如圖7 所示，頂板巖樣能譜圖如圖8 所示。由圖7、圖8 可知，巖樣含量以Si、Al、O、K、Na 為主，通過分析發(fā)現(xiàn)其巖樣是以含水鋁硅酸鹽為主要成分，并含有氧化鉀、氧化鈉的礦物質(zhì)。結(jié)合電鏡掃描結(jié)果，巖樣結(jié)構(gòu)為層狀顆粒堆積，由此可以判斷巖樣主要是以蒙脫石、伊利石為主要成分的巖石，印證了該巷道呈膨脹性變形的原因。

圖7 底板巖樣檢測能譜圖

圖8 頂板巖樣檢測能譜圖

3 數(shù)值模擬

以Ⅲ4 軌道上山巷道工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，選取巷道-890 m 處的截面建立FLAC3D模型，模型尺寸為：長、寬、高分別為80 m、32 m、40 m。在模型四周設(shè)置邊界條件，在模型頂部施加均布荷載模擬巷道上部巖石自重，選取摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構(gòu)模型，按照設(shè)計的支護(hù)方案，建立的模型如圖9所示。模型共計307 520 個單元，325 853 個節(jié)點(diǎn)，對巷道周圍的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，使計算過程更精確。

圖9 巷道圍巖數(shù)值模型

在未支護(hù)的條件下，巷道在水平和垂直方向的位移如圖10 所示，巷道在水平和垂直方向所受的應(yīng)力如圖11 所示。由模擬結(jié)果可以看出，巷道開挖后，水平和垂直方向均出現(xiàn)了較大的位移變形，在水平方向上兩幫圍巖向巷道內(nèi)擠壓，兩邊產(chǎn)生的變形均達(dá)到130 mm以上；水平方向所受的最大應(yīng)力值在頂?shù)装逄帪?4.16 MPa，是由于側(cè)向壓力對巷道頂?shù)装宓臄D壓作用，使其在頂?shù)装逦恢贸霈F(xiàn)較大應(yīng)力。垂直方向上頂板下沉量最大為217 mm，底鼓量最大為136 mm，頂?shù)装遄畲笪灰屏烤笥趦蓭妥畲笠屏浚翼敯逑鲁亮看笥诘坠牧?，垂直?yīng)力最大為29.72 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在巷道兩幫，說明巷道開挖后垂直方向的應(yīng)力對巷道兩幫產(chǎn)生擠壓作用。巷道開挖時產(chǎn)生過大的變形容易引起安全問題，因此巷道在開挖后必須及時進(jìn)行支護(hù)。

圖10 未支護(hù)情況下巷道圍巖水平、垂直位移分布

圖11 未支護(hù)情況下巷道圍巖水平、垂直應(yīng)力分布

4 巷道支護(hù)設(shè)計

通過對上述數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，巷道在未加支護(hù)狀態(tài)下水平和豎直方向均出現(xiàn)了較大的位移，Ⅲ4 軌道上山巷道埋深已達(dá)800 m，深部巷道所受的地應(yīng)力相對更大，巷道變形量增大、變形時間延長。應(yīng)采用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿進(jìn)行巷道圍巖支護(hù)，可以很好地控制巷道圍巖的變形。針對巖性條件差的深部巷道，選取高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度的支護(hù)才能發(fā)揮錨桿的主動支護(hù)作用，進(jìn)而保證巷道安全，提高施工效率［7-9］。因此，對Ⅲ4 軌道上山巷道采用此種支護(hù)方式，對巷道的頂板施加錨桿錨索，巷道兩幫施加錨桿，并對巷道頂板和兩幫進(jìn)行二錨桿支護(hù)。通常底鼓量小于200 mm 時對井下的運(yùn)輸和通風(fēng)影響較小，另外對頂板和兩幫進(jìn)行支護(hù)后也會減小底鼓量，所以不需要對此巷道采取專門的底鼓防治措施［10］。此巷道的凈斷面為5 000 mm×4 000 mm，巷道斷面如圖12 所示。

圖12 Ⅲ4軌道上山巷道斷面（單位：mm）

4.1 巷道一次支護(hù)參數(shù)

錨桿采用GM22/2800-490 無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，直徑為22 mm，長度為3 000 mm，配套托盤型號為Φ10×200×200 mm 方形球面型托盤，每根錨桿采用2 支MSK2950 樹脂錨固劑錨固，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m。在巷道拱部位置，沿巷道中頂布置1根錨桿，對稱中頂左右各布置5根錨桿，間排距800×800 mm。在巷道幫部位置，左右?guī)透鞑贾? 根錨桿，錨桿間排距800×800 mm，下部的底角錨桿與水平按15°安裝。

錨索采用YMSΦ22×6 300 mm，配套托盤Φ16×300×300 mm 方形球面型托盤，每根錨索使用3 支MSK2950 樹脂錨固劑，錨索設(shè)計錨固力不小于200 kN。頂部安裝5 根錨索，錨索間排距1 600×1 600 mm，垂直于巖石表面安裝。一次支護(hù)斷面如圖13 所示。

圖13 巷道一次支護(hù)斷面（單位：mm）

4.2 巷道二次支護(hù)參數(shù)

二次支護(hù)在巷道拱部布置10 根錨桿，沿巷道中頂左右兩邊分別布置5 根錨桿，巷道兩邊分別布置2根錨桿，錨桿間排距800×800 mm。錨桿參數(shù)和錨固劑參數(shù)與一次支護(hù)參數(shù)一致。二次支護(hù)選用的鋼帶型號為GDM200/2 800 mm，鋼帶搭接長度為200 mm，首尾相連沿巷道方向，間距800 mm。二次支護(hù)斷面如圖14 所示，巷道支護(hù)斷面展開如圖15所示。

圖14 二次支護(hù)斷面（單位：mm）

圖15 支護(hù)斷面展開（單位：mm）

4.3 支護(hù)后巷道數(shù)值模擬及分析

通過模擬可知，巷道經(jīng)過支護(hù)后，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟棵黠@減小，在頂板和兩幫進(jìn)行支護(hù)后底鼓量也明顯減小，頂板下沉量最大為20.7 mm，底鼓量最大為23 mm，左右兩幫位移量為28.4 mm。在二次支護(hù)情況下巷道圍巖位移分布如圖16所示。由模擬結(jié)果可知，頂板下沉量得到了較好控制，原因是在巷道頂板施加了5 根錨索，對于控制巷道頂板的下沉起到了關(guān)鍵的作用。左右兩幫也在錨桿的支護(hù)下，位移量得到有效控制。

圖16 支護(hù)情況下巷道圍巖水平、垂直位移分布

4.4 支護(hù)效果監(jiān)測

為進(jìn)一步確定支護(hù)方案的合理性，在Ⅲ4 軌道上山巷道圍巖表面設(shè)置不同的監(jiān)測點(diǎn)，采用十字交叉法對巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃芜M(jìn)行147 d 的監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖17 所示。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，巷道頂板下沉在30 mm 后趨于穩(wěn)定，底鼓量在33 mm后趨于穩(wěn)定，左右兩幫變形量在30 mm 后也趨于穩(wěn)定。巷道的實際變形量與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，說明此支護(hù)方案可有效應(yīng)對巷道的變形，保證了巷道使用的安全。

圖17 巷道位移監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

①通過SEM掃描電鏡對巖石進(jìn)行掃描，結(jié)合能譜分析判斷出該巷道巖性呈膨脹性的原因，在此基礎(chǔ)上提出了高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)方案。

②通過對開挖巷道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以看出深部巷道在未支護(hù)條件下，圍巖會向巷道內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較大的位移。在對巷道進(jìn)行支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性得到提升，二次支護(hù)方案控制了圍巖的變形，保證了巷道使用的安全。

③通過對該巷道的支護(hù)和模擬分析，為淮北礦區(qū)類似工程條件的巷道，在支護(hù)設(shè)計上提供了參考。