渾寶炬，陳曉坡

(1.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063009)

開(kāi)灤林南倉(cāng)礦-650m水平軌道石門巷道圍巖為泥質(zhì)軟巖。由于巖體的裂隙發(fā)育，軟化膨脹明顯，巷道周邊更大范圍巖體進(jìn)入破裂狀態(tài)[1]，伴隨著非線性大變形和流變，巷道變形穩(wěn)定期大大延長(zhǎng)，所需支護(hù)強(qiáng)度成倍提高[2-3]，巖巷變形控制難度極大。如何從變形機(jī)理的源頭上確定煤礦泥質(zhì)軟巖巷道變形控制技術(shù)[4]，確保巷道斷面的正常使用，是林南倉(cāng)礦開(kāi)采向縱深發(fā)展和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[5]。

1 工程背景

林南倉(cāng)礦主要開(kāi)拓巷道位于-650m水平和-930m水平，深部開(kāi)采的高地應(yīng)力與低巖體強(qiáng)度之間的矛盾越發(fā)突出，巷道開(kāi)挖造成的應(yīng)力集中和重新分布導(dǎo)致更大范圍內(nèi)的巖體進(jìn)入峰后破裂狀態(tài)，表層圍巖產(chǎn)生非線性大變形，造成巷道壓力大、變形快，支護(hù)極為困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全礦開(kāi)拓巷道在三年內(nèi)變形率達(dá)90%以上，平均返修率達(dá)到120%，個(gè)別地段返修率達(dá)到200%～300%，嚴(yán)重制約了礦井正常的生產(chǎn)銜接。

2 巷道圍巖變形機(jī)理分析

對(duì)林南倉(cāng)礦-650m水平軌道石門典型段巷道圍巖，分別采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)等技術(shù)手段進(jìn)行微觀分析，巷道變形較為劇烈的地段，軟巖特征明顯，巖性礦物構(gòu)成以黏土礦物[4]為主，為53%～74%，而黏土礦物成分中的蒙脫石含量一般較高，為80%～89%。蒙脫石是一種強(qiáng)膨脹性礦物，膨脹性大大強(qiáng)于其他礦物，遇水后一般發(fā)生快速膨脹和泥化，一方面自身巖性參數(shù)因水解發(fā)生弱化，另一方面較大的膨脹壓力作用于錨固結(jié)構(gòu)或表層支架上，超過(guò)其承載變形限度，兩方面的疊加使得支護(hù)區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)，這是-650m軌道石門中大部分地段變形失控的重要機(jī)制。

綜合分析巷道工程的地質(zhì)概況和圍巖的微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果，林南倉(cāng)礦-650m水平軌道石門支護(hù)難點(diǎn)主要有：①巷道埋深大，自重應(yīng)力達(dá)到16.25MPa，且巷道處于地層向斜軸部位置，有一定的構(gòu)造應(yīng)力殘余，這使得支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較高的外在壓力；②圍巖礦物成分中蒙脫石含量極高，受小構(gòu)造[5]和二次應(yīng)力影響，導(dǎo)通了頂板的砂巖裂隙水，迎頭出水點(diǎn)處理不及時(shí)造成底板長(zhǎng)期浸泡，水化作用下黏土礦物晶體急劇膨脹，巖性弱化，支護(hù)結(jié)構(gòu)加速失穩(wěn)；③大小構(gòu)造切割多，造成巷道圍巖原生裂隙多，受開(kāi)挖擾動(dòng)和支護(hù)強(qiáng)度不足影響，微裂隙相互貫通，部分錨桿錨固力受到弱化，影響了支護(hù)強(qiáng)度。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

壁后充填能優(yōu)化支架受力分布，避免局部點(diǎn)線受力，支架總體受力性能可提升一倍左右，是一種控制破碎大變形圍巖的有效手段。結(jié)合林南倉(cāng)礦-650m水平軌道石門的現(xiàn)場(chǎng)施工條件，確定采用錨噴護(hù)頂進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)、29U架棚壁后充填、關(guān)鍵點(diǎn)強(qiáng)化進(jìn)行永久支護(hù)。

具體支護(hù)參數(shù)為：棚距600mm,斷面13.36m2,拱形29U金屬支架，壁后充填厚度200mm，拱頂采用規(guī)格Φ20mm×2000mm、間排距800mm×600mm HR335右旋螺紋鋼錨桿臨時(shí)護(hù)頂和永久支護(hù)，棚腿采用同規(guī)格錨桿一腿一卡兩桿進(jìn)行鎖腿，水化膨脹段的棚檔間用長(zhǎng)度5300mm直徑Φ15.24mm錨索進(jìn)行墻體補(bǔ)強(qiáng)，配合400mm×400mm厚度14mm的大托盤強(qiáng)力護(hù)表，注漿錨桿規(guī)格為Φ20mm×1.8m，間排距1500mm×1500mm，注漿用P.O42.5水泥，水灰比0.7～1.1，注漿壓力為1.5～2.5MPa，底角注漿壓力不大于3MPa。

4 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算以壁后充填條件下的錨桿或架棚排距實(shí)況，分軸向長(zhǎng)度6.0m、7.0m和8.0m分別進(jìn)行建模，錨桿和錨索采用加預(yù)應(yīng)力的Cable結(jié)構(gòu)單元模擬，架棚支架采用beam結(jié)構(gòu)單元分段連接，混凝土澆筑襯砌采用Shell結(jié)構(gòu)單元模擬，注漿強(qiáng)化采用漿液擴(kuò)散范圍內(nèi)參數(shù)定比強(qiáng)化法進(jìn)行模擬。模型計(jì)算的左右面邊界、前后面邊界均設(shè)為滾動(dòng)支撐位移約束，分別約束X方向和Y方向；模型底面為位移約束，僅約束垂直方向Z的位移；上面為應(yīng)力加載，巖體按均勻自重應(yīng)力大小施加，密度為2.5×103kg/m3，巷道埋深為-650m，安裝測(cè)定地應(yīng)力進(jìn)行加載?？紤]模型高度達(dá)60m，重力影響級(jí)別為0～1.5MPa，確定豎直方向Z設(shè)定初始應(yīng)力。

本次模擬的研究主要針對(duì)壁后充填支護(hù)效果進(jìn)行分析，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，軟化系數(shù)取50%，架棚模擬參數(shù)和錨桿(索)模擬參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表1 計(jì)算模型巖體力學(xué)參數(shù)

表2 架棚模擬參數(shù)

表3 錨桿(索)模擬參數(shù)

圖1 塑性區(qū)分布及錨桿索受力

圖2 最大主應(yīng)力分布

圖3 位移分布

圖4 結(jié)構(gòu)單元受力分布

圖1為壁后充填支護(hù)中，采用鎖腿錨桿和幫部錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的塑性區(qū)分布狀態(tài)，過(guò)去塑性和現(xiàn)在塑性區(qū)呈現(xiàn)全斷面均勻厚度分布，幫頂部厚度2.47m，大于頂板錨桿和鎖腿錨桿長(zhǎng)度，底部稍大為5.35m，說(shuō)明該類支護(hù)對(duì)于控制幫頂破碎區(qū)的控制能力要大大強(qiáng)于底板，錨桿錨固區(qū)外的離層破碎應(yīng)引起重視，在表層出現(xiàn)了一圈厚度0.48m的拉屈服區(qū)域。圖2為最大主應(yīng)力的分布云圖，淺部的應(yīng)力降低區(qū)為類矩形分布態(tài)勢(shì)，幫頂厚度約為錨桿長(zhǎng)度2.0m，底板應(yīng)力降低區(qū)范圍則遠(yuǎn)大于幫頂，達(dá)到5.6m，外層的應(yīng)力升高區(qū)為圓環(huán)形分布，最大壓力為25.062MPa。圖3為位移分布云圖，幫部和底板位移大于頂板，最大位移9.23cm，位于起拱線附近和底板中央。圖4為錨桿、錨索及架棚受力分布狀況，錨桿受力達(dá)到極限拉力105kN，峰值錨索受力達(dá)到165.3kN，各部位的錨桿和錨索受力較為均勻，棚腿直線段和頂板為負(fù)彎矩區(qū)域，兩個(gè)肩角為正彎矩區(qū)域，最大值495.9kN·m位于棚腿直線段，說(shuō)明幫部錨索的存在對(duì)于起拱線處的內(nèi)移起到了很好的限制作用，而鎖腿錨桿對(duì)于棚腳部位的位移有一定控制，因長(zhǎng)度稍短形成錨固區(qū)外的整體移動(dòng)，限制狀況由固定約束向可動(dòng)約束過(guò)渡，產(chǎn)生了較大的彎矩值。

5 支護(hù)效果分析

根據(jù)林南倉(cāng)礦-650m水平軌道石門礦壓觀測(cè)資料，巷道采用壁后充填支護(hù)技術(shù)后，巷道頂?shù)装迨諗啃∮?30mm，兩幫收斂小于100mm，測(cè)點(diǎn)的巷道變形速度小于0.5mm/d，并很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)技術(shù)較好地控制了巷道圍巖的變形。

6 結(jié)論

1)林南倉(cāng)礦-650m軌道石門穿層巖性變化大，主要為高蒙脫石含量的泥化巖層，巷道圍巖遇水膨脹，自承能力低，單一錨網(wǎng)噴支護(hù)不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支護(hù)。

2)29U架棚壁后充填，并結(jié)合幫部錨索強(qiáng)化、鎖腿錨桿，能較好應(yīng)對(duì)泥質(zhì)軟巖巷道變形，支護(hù)強(qiáng)度設(shè)置較為合理，能起到比較好的支護(hù)效果。

3)FLAC3D模擬出的支護(hù)效果分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果比較吻合，模擬計(jì)算的結(jié)果可以彌補(bǔ)單一現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法存在的預(yù)見(jiàn)性較弱的缺陷，對(duì)巷道支護(hù)提供科學(xué)地理論依據(jù)。

[1]錢鳴高，石平武.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

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