鐘 誠(chéng)，吳 瓊

(1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

我國(guó)煤炭產(chǎn)量大，每年巷道掘進(jìn)進(jìn)尺多達(dá)6 000 km以上，深部高應(yīng)力軟巖巷道占據(jù)10%以上[1]。由于多年來(lái)的開(kāi)采，淺部易開(kāi)采的煤炭資源日益減少，導(dǎo)致不得不轉(zhuǎn)向開(kāi)采深部煤炭資源[2]。由于深部軟巖煤礦具有巷道失修率高、支護(hù)極其困難等難題[3]，假如未能實(shí)施有效的支護(hù)工藝以減小巷道的變形，將導(dǎo)致軟巖巷道的修護(hù)成本增加，甚至?xí)l(fā)事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，破壞社會(huì)的穩(wěn)定和安全生產(chǎn)的良好局面。因此研究經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)工藝成為深部高應(yīng)力軟巖巷道亟需解決的難題[4]。

我國(guó)科研工作者對(duì)松軟巖巷道支護(hù)技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作，王國(guó)強(qiáng)等[5]在小康煤礦S2S2工作面通過(guò)采取高強(qiáng)錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架技術(shù)，巷道變形減小，未發(fā)生冒頂、片幫隱患事故，充分發(fā)揮了圍巖承載能力，取得良好的支護(hù)效果。丁向勇等[6]通過(guò)對(duì)蔣家河煤礦ZF1410工作面支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果證明：優(yōu)化的支護(hù)方案使巷道變形速度減慢，巷道變形得到有效控制。尹光志等[7]通過(guò)研究白皎煤礦井下高應(yīng)力軟巖巷道采用3種不同的支護(hù)工藝，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果證明：適合高應(yīng)力軟巖巷道最佳的支護(hù)方式是預(yù)留剛隙柔層支護(hù)方法，即錨梁網(wǎng)+拱形支架聯(lián)合支護(hù)方式。柏建彪等[8]在古漢山煤礦西大巷開(kāi)展試驗(yàn)研究，采用高水速凝材料注漿加固遇水弱化、膨脹的泥巖，確定最佳二次支護(hù)時(shí)間的工藝，顯著減小深部軟巖巷道的大變形。

本文根據(jù)斜溝煤礦18209皮帶巷的具體條件，采用“高強(qiáng)錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架及壁后充填”的支護(hù)技術(shù)[9]，解決了18209皮帶巷巷道變形速度快且破壞嚴(yán)重，頂板變形嚴(yán)重且有大量墜袋產(chǎn)生，巷道底臌凸起明顯，變形破壞大，屈服破斷了支護(hù)構(gòu)件[10]等問(wèn)題，同時(shí)借助ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析原支護(hù)方案和優(yōu)化后方案的支護(hù)效果，并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)18209皮帶巷支護(hù)效果，給高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)提供一定的科學(xué)依據(jù)[11-13]。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣，屬河?xùn)|煤田離柳礦區(qū)，主采煤層為8#、13#煤，面積88.6 km2。礦井為低瓦斯礦井，采用斜井開(kāi)拓方式，8#煤層厚度為3.80～5.50 m，平均厚度4.70 m，傾角為7.5°～11.7°，平均9.4°。8#煤透氣性系數(shù)為0.009 26～0.014 16 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

8#煤埋藏深度+480～+560 m，頂板巖性是泥質(zhì)巖，很難進(jìn)行維護(hù)和管理，完整性系數(shù)是0.2，巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度是3.7 MPa；底板是粉砂巖，具有易風(fēng)化、遇水泥化膨脹特點(diǎn)，層理發(fā)育，巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度為4.3 MPa；井田范圍內(nèi)最小和最大的主應(yīng)力是近水平方向，中間區(qū)域主應(yīng)力是近垂直方向，為水平應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，水平構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道的穩(wěn)定性影響較大。18209皮帶巷水平標(biāo)高+405～+498 m，掘進(jìn)斷面是18.2 m2，巷道的支護(hù)方式是錨噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架支護(hù)。

2 優(yōu)化支護(hù)方案

2.1 深部軟巖巷道變形特點(diǎn)

巷道變形特征：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及圖片等資料，斜溝煤礦18209皮帶巷變形破壞特征有以下幾個(gè)特點(diǎn)，①巷道變形程度明顯且變形破壞速度快；②頂板流變程度嚴(yán)重、巷道底臌明顯；③錨桿、U型鋼支架等支護(hù)設(shè)施產(chǎn)生屈服破斷現(xiàn)象。

巷道變形原因：根據(jù)以上特點(diǎn)，得出1820皮帶巷發(fā)生變形原因包括，①18209皮帶巷地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巷道圍巖周?chē)錆M(mǎn)泥質(zhì)巖體，遇水后立即膨脹，同時(shí)擁有極強(qiáng)的流變性質(zhì)；②巷道圍巖變形程度嚴(yán)重，破壞深度大，錨桿、U型鋼支架等支護(hù)設(shè)施未起到作用，嚴(yán)重失效，圍巖的承載能力未得到顯著發(fā)揮；③每個(gè)支護(hù)元件沒(méi)有構(gòu)成一個(gè)完整體，不能發(fā)揮錨桿等設(shè)施的整體支護(hù)能力。

2.2 支護(hù)原理

深部高應(yīng)力軟巖巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，將會(huì)向作業(yè)空間釋放大量的膨脹變形，而這時(shí)巷道是塑性狀態(tài)，仍然擁有承載能力。

如果開(kāi)挖深部高應(yīng)力軟巖巷道后，強(qiáng)迫巷道圍巖向各個(gè)作業(yè)空間運(yùn)動(dòng)的各個(gè)力的合力為PT，查閱相關(guān)資料得到支護(hù)原理可用下式表示

pT=pD+pR+pS

(1)

式中：PT—開(kāi)挖巷道過(guò)程中圍巖向作業(yè)空間運(yùn)動(dòng)的合力；PD—軟巖巷道的塑性能通過(guò)變形的途徑涌出；PR—圍巖自撐力；PS—工程支護(hù)力。

根據(jù)公式(1)發(fā)現(xiàn)，巷道開(kāi)挖后工程支護(hù)力PS未全部構(gòu)成導(dǎo)致圍巖向自由空間運(yùn)動(dòng)的合力PT，而是由PD、PR、PS共同構(gòu)成。以軟巖巷道為例，其本身的圍巖自撐力PR較小，一般為pR

2.3 方案優(yōu)化

原支護(hù)方案：18209皮帶巷起初的支護(hù)方案是U型鋼可縮支架搭配錨噴網(wǎng)，選用型號(hào)為36U型鋼可縮性拱形支架，在拱形支架梁的中部安裝強(qiáng)力拉板一套，相鄰U型鋼可縮支架的棚距是800 mm，將U型鋼可縮支架的整體支護(hù)能力全部發(fā)揮出來(lái)；預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固長(zhǎng)度是1.1 m，型號(hào)是φ22 mm×2 400 mm，預(yù)緊力是150 kN，抗拉強(qiáng)度是780 MPa；采用自制10#金屬經(jīng)緯網(wǎng)，規(guī)格是1 m×10 m，間距是40 mm×40 mm；選用不含速凝劑沙漿的混凝土來(lái)噴層，其噴層厚度是490 mm。

優(yōu)化方案：采用“高強(qiáng)錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架及壁后充填”的支護(hù)技術(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)方案，是圍巖加固技術(shù)、釋能技術(shù)和高阻力支護(hù)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，擁有可縮性U型鋼支架、錨桿(索)注漿加固圍巖、煤壁后方添加柔性填充層三位一體的綜合支護(hù)工藝。優(yōu)化方案是在原支護(hù)方案上，采用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力的錨桿，其抗拉強(qiáng)度超過(guò)780 MPa，同時(shí)將錨固長(zhǎng)度增加到1.4 m；添加φ21.8 mm×7 300 mm的錨索支護(hù)，其抗拉強(qiáng)度超過(guò)570 MPa，錨固長(zhǎng)度達(dá)到2.0 m，巷道頂板錨索規(guī)格是1.6 m×1.6 m，7.30 m的長(zhǎng)錨索共計(jì)5根，斷面如圖1所示。

圖1 優(yōu)化方案斷面

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

依據(jù)18209皮帶巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立240 m×120 m×80 m的模型，將其劃分53 636個(gè)單元。設(shè)置上部為自由邊界、下方為固定邊界，周?chē)鸀樗轿灰萍s束，模型如圖2所示。在模型上部覆巖施加12.11 MPa的載荷，參數(shù)選擇見(jiàn)表1。

圖2 數(shù)值模型

參數(shù)名稱(chēng)厚度/m泊松比容重/(kN·m-3)彈性模量/GPa粘聚力/MPa摩擦角/(°)剪脹角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa頂板420.122 6006.52.2526.2100.53煤層120.1213.006.22.3226.80.62底板320.3521.008.41.4830.2101.41

注：砂漿泊松比為0.2，彈性模量是25 GPa；U型支架、錨桿泊松比為0.2，彈性模量為210 GPa。

3.2 數(shù)值模擬過(guò)程

在開(kāi)挖巷道過(guò)程中，在y方向上0～60 m仍然采用原支護(hù)設(shè)計(jì)方案，在y方向上60～120 m采用優(yōu)化后的方案；工作面回采過(guò)程中，推進(jìn)位置設(shè)在工作面自距右邊界20 m處，一次向前開(kāi)挖30 m，持續(xù)到距巷道10 m時(shí)模擬停止。

計(jì)算過(guò)程是先巷道開(kāi)挖，延遲一段時(shí)間后，在巷道的相應(yīng)區(qū)域內(nèi)采用設(shè)置好的兩種支護(hù)方案對(duì)深部高應(yīng)力巷道開(kāi)始支護(hù)，數(shù)值模擬計(jì)算到應(yīng)力平衡狀態(tài)；接著對(duì)工作面進(jìn)行分段開(kāi)挖，位置設(shè)于煤層預(yù)先選好點(diǎn)，每次開(kāi)挖30 m一共開(kāi)挖6次，直到最終位置，數(shù)值模擬過(guò)程如圖3所示。在數(shù)值模擬時(shí)，監(jiān)測(cè)

監(jiān)控這兩種巷道支護(hù)方案下煤層頂?shù)装宓奈灰屏?，結(jié)果如圖4所示。

a-推進(jìn)30 m；b-推進(jìn)60 m;c-推進(jìn)90 m;d-推進(jìn)120 m;e-推進(jìn)150 m;f-推進(jìn)180 m圖4 優(yōu)化方案巷道頂?shù)装逦灰圃茍D

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算，確定采用兩種支護(hù)方案后18209皮帶巷頂?shù)装逡平?，具體如圖5所示。

圖5 18209皮帶巷頂?shù)装逡平?/p>

由圖5模擬計(jì)算結(jié)果可知，兩種支護(hù)方案的18209皮帶巷頂?shù)装逡平烤_(kāi)始變大，但增大程度明顯不同，采用優(yōu)化的支護(hù)方案后18209皮帶巷的頂?shù)装逡平吭龃蟪潭让黠@低于原支護(hù)方案；當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí)，原支護(hù)方案頂?shù)装逡平繛?00 mm，而優(yōu)化方案頂?shù)装逡平渴?0 mm；當(dāng)推進(jìn)180 m時(shí)，優(yōu)化方案頂?shù)装逡平渴?12 mm，而原支護(hù)方案頂?shù)装逡平繛?12 mm，結(jié)果表明：對(duì)比優(yōu)化方案與原支護(hù)方案，得到實(shí)施優(yōu)化方案可以減少巷道頂?shù)装逡平?，其增長(zhǎng)率減小26%，優(yōu)化方案可以明顯控制住18209皮帶巷圍巖的變形，取得了良好的支護(hù)效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)收集數(shù)據(jù)得到18209皮帶巷頂?shù)装逡平皟蓭褪諗壳闆r，如圖6所示。

圖6 巷道表面位移變化曲線

從圖6得到在工作面推進(jìn)過(guò)程中，采用原支護(hù)設(shè)計(jì)方案后18209皮帶巷最大頂?shù)装逡平渴?.047 m，皮帶巷最大兩幫收斂量是0.318 m；采用優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)方案后18209皮帶巷最大頂?shù)装逡平渴?.588 m，皮帶巷最大兩幫收斂量是0.211 m；在采動(dòng)影響下，優(yōu)化后的18209皮帶巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案，皮帶巷變形速度顯著小于原方案支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本和數(shù)值模擬結(jié)果吻合。所以選擇合理的優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)將對(duì)圍巖的控制起到良好的效果。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)18209皮帶巷破壞的主要特征是巷道變形速度快且破壞嚴(yán)重，頂板變形嚴(yán)重且有大量墜袋產(chǎn)生，巷道底臌凸起明顯，變形破壞大，屈服破斷了支護(hù)構(gòu)件；巷道產(chǎn)生失去穩(wěn)定性的主要原因是圍巖中充滿(mǎn)擁有較強(qiáng)流變特點(diǎn)的泥質(zhì)巖體，導(dǎo)致遇到水后開(kāi)始膨脹變形。

(2)“高強(qiáng)錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架”支護(hù)工藝能有效發(fā)揮每一個(gè)支護(hù)原件的功能，增強(qiáng)了巷道圍巖的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，最大程度地發(fā)揮深部軟巖的自承載能力，為解決深部區(qū)域軟巖巷道應(yīng)力高、圍巖破碎、巷道變形大及支護(hù)困難等問(wèn)題提供一種有效方法。

(3)通過(guò)實(shí)際觀測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，證明斜溝煤礦18209皮帶巷采取優(yōu)化支護(hù)措施后，巷道變形程度明顯減小，工作面生產(chǎn)過(guò)程中巷道兩幫的最大移近量是211 mm，煤層頂板最大下沉量是588 mm，未發(fā)生冒頂、片幫事故，發(fā)揮了巷道圍巖承載能力，支護(hù)效果好。