高慧琪

(霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司)

軟巖巷道變形較大，故而對(duì)該類巷道幫部進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重體現(xiàn)高強(qiáng)原則[1-2]。無論被動(dòng)支護(hù)形式的金屬棚子支架支護(hù)還是錨網(wǎng)索支護(hù)，其實(shí)質(zhì)均是對(duì)淺表圍巖提供徑向約束力，該約束力大小直接決定淺表層圍巖的強(qiáng)度，對(duì)錨網(wǎng)索而言，該約束力即為預(yù)緊力，預(yù)緊力越高，淺表層圍巖增阻越快，圍巖破壞深度越小，支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的載荷越越小，支護(hù)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[3-6]。因此，高強(qiáng)原則不僅體現(xiàn)在支護(hù)材料的強(qiáng)度高，最重要的是錨桿的預(yù)緊力也應(yīng)維持在較高水平。此外，軟巖巷道變形以高應(yīng)力造成的圍巖強(qiáng)度弱化為特征，因此，圍巖塑性區(qū)半徑較其他類型巷道大，故須增大支護(hù)體控制的圍巖范圍，方可確保支護(hù)體與圍巖更好地耦合[7-11]。為對(duì)軟巖巷道圍巖進(jìn)行有效支護(hù)，確保軟巖巷道安全掘進(jìn)和回采，本研究結(jié)合某礦軟巖巷道實(shí)例，對(duì)該類巷道的支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1　工程概況

1.1　煤層概況

某礦所屬的井田內(nèi)賦存有二疊系下統(tǒng)山西組與石炭系上統(tǒng)太原組2個(gè)煤系層組。該井田可采煤層有3層，分別為3#、5#、11#煤層，3#煤層已開采完畢，11#煤層受奧灰水威脅嚴(yán)重，故暫不開采。礦區(qū)現(xiàn)主要開采5#煤層。該煤層局部有泥巖偽頂，厚0.5～1 m，其上有一層煤線與直接頂相隔，煤線厚0.05～0.12 m，一般為0.1 m，偽頂不穩(wěn)定，隨采隨落。5#煤層直接頂板按巖性特征可分為3類：①泥巖、砂質(zhì)泥巖頂板，厚1.5～3.5 m，平均為2.7 m，成分以黏土礦物為主，巖性致密，含植物葉化石；②粉砂巖頂板，厚2～6 m，平均為4.3 m；③河漫相細(xì)粒砂巖頂板與河床相中粒砂巖頂板，中厚—厚層狀，厚3 ～15 m，平均為7.7 m，同時(shí)也是5#煤層老頂，與煤層呈沖刷接觸，巖性成分以石英為主，次為長石與巖屑，粒度以細(xì)粒、中粒為主，局部為粗粒，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，含泥巖包體、黃鐵礦結(jié)核及云母片，呈現(xiàn)斜層理，巖性致密堅(jiān)硬，不易冒落，局部見中粒砂巖中夾有薄層細(xì)粒砂巖及粉砂巖，其中，中粒砂巖、粗粒砂巖均與煤層呈沖刷接觸，據(jù)鉆孔取樣測(cè)試，中粒砂巖抗壓強(qiáng)度為47.6～59.3 MPa。5#煤層直接底板巖性為灰色泥巖，厚0.4～5 m，巖性較軟，可塑性較強(qiáng)，遇水有膨脹現(xiàn)象，該煤層已掘進(jìn)的巷道均見有底鼓現(xiàn)象，極易造成巷道變形。該礦北二5#煤層膠帶輸送機(jī)下山沿5#煤層頂板掘進(jìn)，煤層底板標(biāo)高167 ～191.5 m，厚0.5～4.05 m，平均為3.45 m；煤層整體呈傾角約3°的單斜構(gòu)造，沿煤層走向有緩起伏，含少量小斷層構(gòu)造。

1.2　軟巖巷道變形破壞特征

根據(jù)該礦5#煤層巷道變形破壞的實(shí)際情況以及巷道礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，本研究分析認(rèn)為該煤層軟巖巷道變形破壞具有如下特征。

(1)軟巖巷道變形量大，幫部變形、底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重。北采區(qū)2516回風(fēng)巷幫鼓最嚴(yán)重時(shí)接近1 000 mm，底鼓量達(dá)到了800 mm。近年來，隨著礦井的機(jī)械化水平不斷提高，設(shè)備幾何尺寸一般較大，回采巷道圍巖強(qiáng)烈變形造成設(shè)備無法檢修、人員無法行走，安全隱患顯著，導(dǎo)致頻繁進(jìn)行停產(chǎn)返修，南一上山采區(qū)、北采區(qū)內(nèi)5#煤層綜采工作面順槽發(fā)生的強(qiáng)烈變形已經(jīng)嚴(yán)重制約了井下安全生產(chǎn)。由于礦井掘進(jìn)巷道一般以矩形煤巷居多，從巷道變形特征分析，雖然發(fā)生過少數(shù)冒頂事故，但是冒頂事故發(fā)生前必然伴隨著巷道幫部及底部的強(qiáng)烈變形。北二采區(qū)5#煤層集中巷受到強(qiáng)烈采動(dòng)影響后，巷道幫部變形明顯引起了底部強(qiáng)烈底鼓，導(dǎo)致巷道無法滿足生產(chǎn)要求，并在巷道返修過程中發(fā)生了冒頂事故。

(2)巷道的不同應(yīng)力環(huán)境對(duì)圍巖變形影響較大，構(gòu)造應(yīng)力區(qū)和煤柱應(yīng)力集中區(qū)域圍巖變形劇烈。礦井自建成投產(chǎn)以來，在生產(chǎn)過程中，不斷受到構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)支承應(yīng)力集中的困擾。受F1大斷層影響，井田基本為東高西低的單斜構(gòu)造，自開采至今，揭露的斷層也近乎都為SN走向。本研究采用鉆孔應(yīng)力解除法對(duì)礦井回采區(qū)域原巖應(yīng)力進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，結(jié)果表明構(gòu)造應(yīng)力方向?yàn)?40°，礦井采掘區(qū)域巷道處于明顯的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)影響下，構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)明顯。北采區(qū)5#煤層集中巷在掘進(jìn)期間僅受到了巷道開挖造成的應(yīng)力重新集中影響，采用錨網(wǎng)索支護(hù)的效果較好，經(jīng)過觀測(cè)，頂板下沉量最大為50 mm，兩幫移近量最大為30 mm。該巷道在受到上方的3#煤層12301綜采工作面回采影響后，超前12301綜采工作面40 m及后方40.5 m巷道變形量劇增，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟窟_(dá)到了500 mm，兩幫收縮量達(dá)到了400 mm，3#煤層采動(dòng)支承壓力通過3#、5#煤層之間的圍巖擴(kuò)展傳播至5#煤層集中巷。由于北采區(qū)5#煤層集中巷冒頂區(qū)域上方另一3#煤層綜采工作面支承壓力與12301綜采工作面支承壓力的疊加作用，造成了冒頂事故。

2　軟巖巷道支護(hù)方案

根據(jù)該礦北二5#煤層膠帶輸送機(jī)下山的實(shí)際工程地質(zhì)條件，可知該煤層軟巖巷道圍巖自穩(wěn)性差，棚式金屬支架支護(hù)作為一種被動(dòng)支護(hù)形式，支護(hù)效果不理想且支護(hù)成本較大，本研究認(rèn)為該礦井的軟巖巷道支護(hù)應(yīng)以錨網(wǎng)索支護(hù)為核心[12-15]。

2.1　錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)確定

2.1.1錨桿支護(hù)參數(shù)

錨桿參數(shù)包括桿體長度、直徑、間排距、預(yù)緊力等，巷道幫部采用全長錨固錨桿支護(hù)，其預(yù)緊力扭矩為250 N·m。

2.1.1.1錨桿長度

錨桿長度按照懸吊理論取值，計(jì)算公式為[16]

Lg=Lp+L1+L2，

(1)

式中，Lg為錨桿長度，m；Lp為錨桿有效長度，一般取2.5 m；L1為錨桿外露長度，取決于錨桿類型和錨固方式，一般取0.2 m；L2為錨桿錨固長度，端部錨固一般取0.3～0.5 m，本研究取0.5 m。

經(jīng)計(jì)算，本研究巷道幫部錨桿長度為3.2 m，留有一定富余后實(shí)際取3.5 m。

2.1.1.2錨桿直徑

錨桿直徑可按桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則進(jìn)行計(jì)算，公式為

Dg=1.13{T/[σ]}1/2，

(2)

式中，Dg為錨桿直徑，mm；T為錨桿拉拔力，90 kN；σ為桿體材料的許用強(qiáng)度，240 MPa。

經(jīng)計(jì)算，金屬錨桿直徑取22 mm較為適宜。

2.1.1.3錨桿間排距

錨桿間排距的計(jì)算公式為[17]

(3)

式中，a為錨桿間排距，m；Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，90 kN；γ為不穩(wěn)定巖層的平均重力密度，25 kN/m3；K為安全系數(shù)，取2。

經(jīng)計(jì)算，a=0.85 m，本研究取0.8 m。

2.1.2錨索支護(hù)參數(shù)

2.1.2.1錨索長度

錨索長度可按下式計(jì)算[18]

Ls=L1+Lb+Lm，

(4)

式中，Ls為錨索長度，m；L1為錨索外露長度，一般取0.3～0.4 m；Lb為潛在的不穩(wěn)定巖層高度，m；Lm為錨索錨固長度，一般取1.2～1.5 m。

經(jīng)計(jì)算，Ls=5.7 m，本研究取6 m。

2.1.2.2錨索錨固長度

在綜合分析巷道圍巖巖性、施工安全系數(shù)等因素的基礎(chǔ)上，認(rèn)為樹脂錨固最小長度應(yīng)為1 m，一般取1.2～1.5 m。

2.1.2.3錨索間排距

錨索間排距選取應(yīng)結(jié)合錨索預(yù)緊力而定，以與錨桿形成穩(wěn)定的骨架網(wǎng)狀預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)為取值標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2.4錨索預(yù)應(yīng)力

根據(jù)我國煤礦巷道施工條件、現(xiàn)有錨索規(guī)格及張拉設(shè)備能力[19]，確定錨索預(yù)緊力一般應(yīng)為其極限強(qiáng)度的40%～80%。巷道頂部采用高強(qiáng)度小孔徑全錨索支護(hù)，錨索直徑為17.8 mm，錨索預(yù)緊力大于135 kN，錨索預(yù)緊力通過錨索張拉機(jī)具施加。

2.2　錨桿布置方式與參數(shù)設(shè)計(jì)

巷道采用錨桿、索聯(lián)合支護(hù)方案，錨桿布置方式及具體參數(shù)取值見圖1。其中，巷道頂部和幫部配合高強(qiáng)護(hù)表構(gòu)件，采用高強(qiáng)度金屬網(wǎng)護(hù)表[20-21]。

圖1　軟巖巷道錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案(單位：mm)

2.3　支護(hù)施工工藝

巷道頂板采用小孔徑高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，錨索型號(hào)為φ17.8 mm×6 000 mm，材質(zhì)為1860鋼絞線，錨索間排距為1 100×800 mm。頂角錨索向外扎角15°左右，每根錨索孔使用1支K2370型和1支Z2370型樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊力不宜小于135 kN。

幫部采用自旋錨桿支護(hù)，以提高淺部圍巖的整體穩(wěn)定性。幫部錨桿均采用φ22 mm×3 500 mm全長自旋錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm。錨桿墊板規(guī)格為110 mm×300 mm(長×寬)鑄鐵。幫角錨桿向下扎角約15°。

巷道頂部和幫部采用高強(qiáng)度金屬網(wǎng)護(hù)表，同時(shí)垂直于巷道軸向布置高強(qiáng)度高凸鋼帶和槽鋼，有利于提高支護(hù)體的整體強(qiáng)度，充分發(fā)揮錨網(wǎng)索的整體支護(hù)效果。

巷道頂部鋪設(shè)900 mm×1 800 mm冷拔絲網(wǎng)，幫部鋪設(shè)900 mm×1 500 mm冷拔絲網(wǎng)，冷拔絲直徑為0.55 mm，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)間搭接100 mm，每200 mm聯(lián)接一次，使用雙股14#鐵絲雙排聯(lián)接。巷道頂部配合錨索使用4 500 mm 長高凸鋼帶，幫部使用2 800 mm長14#槽鋼支護(hù)。

3　巷道支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

3.1　模型構(gòu)建

北二采區(qū)5#煤層膠帶輸送機(jī)下山沿5#煤層頂板掘進(jìn)，煤層底板標(biāo)高167～191.5 m，煤層厚度0.5～4.05 m，平均為3.45 m。5#煤層整體呈傾角約3°的單斜構(gòu)造，沿煤層走向有緩起伏，含少量小斷層構(gòu)造。本研究利用FLAC二維數(shù)值分析軟件構(gòu)建的模型規(guī)格為100 m×60 m(長×高)，煤層厚度3.5 m，煤層上邊界埋深630 m，在模型上邊界施加垂直方向的等效載荷，模型底部設(shè)置固定邊界條件，側(cè)面設(shè)置支承邊界條件，整個(gè)模型水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比為1∶1。巷道斷面形狀為矩形，布置于5#煤層中。模型各煤巖層中物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　模型各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2　數(shù)值模擬分析

3.2.1不同錨桿長度條件下巷道圍巖穩(wěn)定性分析

巷道原支護(hù)方式采用2 500 mm長自旋錨桿，在受到工作面回采影響時(shí)，巷道兩幫強(qiáng)烈內(nèi)移，頂?shù)装逑鲁羾?yán)重，大量錨桿斷裂和被拉出，造成錨桿支護(hù)失效，因此加大錨桿長度，以達(dá)到提高幫部支護(hù)強(qiáng)度的目的，確保巷道支護(hù)的整體性。

本研究對(duì)采用長度分別為2 500，3 500 m自旋錨桿支護(hù)的巷道變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，巷道圍巖變形量如圖2所示。分析圖2可知：當(dāng)自旋錨桿長度為2 500 m時(shí)，巷道頂板、底板均出現(xiàn)了明顯位移，嚴(yán)重程度使得巷道斷面面積縮小了約1/3。具體來講，巷道頂板最大下沉量達(dá)到190 mm，幫部最大內(nèi)移量約為110 mm，底板最大鼓起量達(dá)130 mm(圖2(a))，可見，采用2 500 mm長錨桿進(jìn)行支護(hù)，效果不佳；當(dāng)自旋錨桿長度為3 500 mm時(shí)，巷道頂板最大下沉量達(dá)到120 mm，幫部最大內(nèi)移量約為55 mm，底板最大鼓起量達(dá)100 mm(圖2(b))?？梢?，隨著錨桿長度增加，巷道圍巖變形量大幅減小，其中巷道頂板最大下沉量減小了37%，幫部最大內(nèi)移量減小50%，底板最大鼓起量減小了23%。

圖2　不同長度錨桿支護(hù)時(shí)的巷道圍巖變形量

比較2種支護(hù)參數(shù)下巷道圍巖應(yīng)力分布特征(圖3)可知，3 500 mm長錨桿的應(yīng)力峰值小于2 500 mm 長錨桿，并且采用3 500 mm長錨桿支護(hù)后的圍巖塑性區(qū)深度較2 500 mm長錨桿淺。可見，錨桿長度增大能夠有效改善巷道圍巖受力情況，特別是淺部圍巖的受力情況。

比較3 500 mm長錨桿與3 500 mm長錨索支護(hù)時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布及位移量(圖2(b)、圖3(b)、圖4、圖5)可知，由于錨桿與錨索的結(jié)構(gòu)不同，錨索為可允許在其切向上運(yùn)動(dòng)，因此，用高強(qiáng)錨索代替巷道頂部錨桿對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)后，巷道頂板最大下沉量約為100 mm，幫部最大內(nèi)移量約為40 mm，巷道圍巖變形控制效果較顯著，巷道圍巖應(yīng)力峰值得以大幅降低，巷道頂板圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。

3.2.2不同錨桿間排距下巷道圍巖穩(wěn)定性分析

錨桿(索)間排距對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性控制至關(guān)重要，若錨桿間排距過大則會(huì)導(dǎo)致梁間的巖石無法有效貼緊頂板，形成弱面，該區(qū)域圍巖一旦發(fā)生破壞，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)機(jī)構(gòu)失穩(wěn)。因此，增加錨桿數(shù)量，有助于提高巷道錨桿支護(hù)的效果。本研究分別模擬分析了不同排距時(shí)巷道圍巖變形的影響，以確定適宜的錨桿(索)排距。由錨桿(索)間排距為800 mm(新支護(hù))、1 000 mm(原支護(hù))時(shí)巷道圍巖變形量(圖6)可知：錨桿(索)間排距為800，1 000 mm 時(shí)，巷道圍巖的最大變形量分別為111，116 mm，相差較小，巷道圍巖應(yīng)力分布峰值隨錨桿(索)間排距增加而增大?？梢姡锏绹鷰r應(yīng)力狀態(tài)隨錨桿(索)間距發(fā)生變化，更確切的說是呈正相關(guān)關(guān)系。為進(jìn)一步檢驗(yàn)不同排距對(duì)巷道變形的影響，在北二5#煤層膠帶輸送機(jī)下山，按上述2種錨桿(索)間排距，分別選取40 m長巷道進(jìn)行了試驗(yàn)，綜合考慮支護(hù)成本、支護(hù)效果等因素，本研究認(rèn)為北二5#煤層膠帶輸送機(jī)下山合理的錨桿(索)間排距為800 mm。

圖4　3 500 mm長錨索支護(hù)圍巖應(yīng)力分布特征

圖5　3 500 mm長錨索支護(hù)圍巖位移分布特征

綜合分析圖6、圖7可知：運(yùn)用新支護(hù)參數(shù)(錨桿(索)間排距為800 mm)后軟巖巷道變形量得到了有效控制，高強(qiáng)度小孔徑全錨索支護(hù)能夠使得巷道頂板應(yīng)力降至1～6 MPa，頂部最大變形量為40 mm；巷道左側(cè)幫部最大位移為90 mm，巷道右側(cè)幫部最大位移為60mm，兩幫最大應(yīng)力達(dá)19MPa，深度為3～4 m，明顯改善了巷道兩幫淺部圍巖的受力狀態(tài)，使得巷道兩幫圍巖變形得到了有效控制；相對(duì)于原支護(hù)參數(shù)(錨桿(索)間排距為1 000 mm)，軟巖巷道變形量明顯降低，支護(hù)效果明顯改善。

圖6　不同錨桿(索)間排距時(shí)巷道圍巖位移分布特征

圖7　不同錨桿(索)間排距時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布特征

4　結(jié)　語

以某礦5#煤層軟巖巷道為例，設(shè)計(jì)了錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案，并對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。運(yùn)用FLAC軟件對(duì)采用不同支護(hù)參數(shù)條件下的巷道變形及應(yīng)力分布特征進(jìn)行了分析，進(jìn)一步確定了合理的支護(hù)參數(shù)，對(duì)于類似礦山軟巖巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

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