何志輝

(大同煤礦集團 煤峪口礦，山西 大同 037041)

隨著中國煤礦逐步轉(zhuǎn)向深部開采，礦井水文地質(zhì)條件變得愈加復雜，開采造成的突發(fā)事件時有發(fā)生，這對深部軟巖工程的研究進展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[1-3]，特別是深部高應力復合型軟巖巷道變形控制成為現(xiàn)階段亟需攻克的難題。軟-硬巖石組成的巷道，由于其抵抗應力的差異，在圍巖應力及開采擾動的雙重影響下，引發(fā)圍巖應力二次疊加，圍巖發(fā)生急劇變形、移動和破壞，形成破裂剪脹現(xiàn)象[4-7]. 深部軟巖巷道合理支護改進是當下煤礦生產(chǎn)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，何滿潮等[8]以軟巖大變形機理為特點，得出了深部軟巖工程巷道大變形理論依據(jù)，并提出了大斷面、預留量等大變形軟巖巷道支護新型理念。張體鎮(zhèn)[9]在研究巷道圍巖變形的前提上，采用數(shù)值分析模擬巷道在不同的應力條件下，改變支護后巷道的位移變化，得出了有效的支護方案[10].

以山西某礦山西組2#煤3201材料巷為研究背景，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測的兩種方法對巷道支護改進進行了分析，得出巷道大變形的原因，并在原有支護基礎上提出新的支護設計，有效地解決了巷道的支護難題，保證了工作面安全生產(chǎn)。

1 工程條件分析

井田內(nèi)主采煤層為山西組2#煤，煤層東厚西薄，最薄1.60 m，最厚3.50 m，均厚2.20 m[11]. 2#煤層結構較復雜，含0～2層夾石，基本頂為細砂巖，厚度3.5 m，層狀f=5；直接頂為泥巖，易碎、易風化，均厚2.5 m，，層狀f=4；煤層均厚2.18 m，黑色，f=2，底板為泥質(zhì)砂巖，均厚3.7 m，f=4.5～5.5. 工作面主要為泥巖、煤和泥質(zhì)砂巖構成，煤巖體結構復雜，比較松軟、破碎，導致煤層強度低，單軸抗壓強度僅為10 MPa.

2 巷道原巖應力實測與分析

2.1 原巖應力測點布置

為進一步了解高應力條件下的軟巖變形特性，進行現(xiàn)場觀測，本次測量總計布置5個測點，其中3201材料巷布置3個測點，西翼回風巷布置2個測點(見圖1). 現(xiàn)場使用鉆孔套芯應力進行應力測量，鉆孔套芯共計17 m，應力傳感器采用空心包體應力型傳感器。

圖1 應力測點布置圖

2.2 實驗分析與結論

3201材料巷和西翼回風巷原巖應力測量結果見表1，圖2. 井下最大主應力大致呈水平方向，最大水平應力為垂直應力的1.15～2.50倍。最大水平構造應力的方向是沿煤層傾向。采區(qū)順槽煤巷由于其斷面垂直于最大水平應力，直接受高應力作用，在頂?shù)装逍纬筛邞小Ｒ酝蓤鲰槻蹆蓭痛蠖嗾◣蛧乐?，并常伴隨著頂板巖層破碎，底鼓嚴重，支護難度較大。因此，保證巷道穩(wěn)定性的關鍵在于巷幫的支護(頂板也同樣重要)，通過采取特殊支護能有效地減少兩幫的塑性破壞區(qū)，保證巷道圍巖穩(wěn)定。

表1 原巖應力測量結果表

圖2 各測點主應力立體網(wǎng)絡圖

3 支護方案的確定

針對原巖應力分布特征，巷道破壞從幫部的破壞開始，同時由于煤層強度較低，巷道開挖后煤幫內(nèi)應力集中，應力大幅超過煤體的單軸抗壓強度，在支護不足的情況下，煤幫的破壞逐步向深部延深，致使巷道兩幫變形嚴重，并伴隨著頂?shù)装遄冃?。因此，根?jù)以往支護設計與試驗段圍巖的實際情況，本次設計在巷道原有支護的基礎上提出巷道兩幫及頂板支設采用注漿錨索配合高預緊力錨桿錨索的新型支護方式，支護設計參數(shù)見圖3.

圖3 巷道新型支護方案圖

3.1 頂板支護方案設計

巷道頂板采用錨桿、錨索、M4型鋼帶、鋼塑網(wǎng)聯(lián)合支護，頂錨桿采用規(guī)格為d22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，間排距為800 mm×800 mm，兩側頂錨桿距巷幫均為800 mm. 錨桿采用樹脂藥實現(xiàn)全長錨固，樹脂藥規(guī)格分別為CK2370快速、Z2370中速。巷道頂板每兩排安裝3根強預拉力中空注漿錨索，五花型布置。錨索規(guī)格為d24.6 mm×7 000 mm，采用全長錨固方式，每根錨索采用一節(jié)CK2370型快速樹脂藥卷，首先實行端錨，安裝后應用氣板機施加高預緊力，之后在不影響掘進作業(yè)的前提下盡快對錨索注漿，以達到全長錨固的效果。錨索托盤采用d250 mm圓形托盤，厚度不低于4 mm.

3.2 兩幫支護方案設計

巷道兩幫采用錨桿、錨索、鋼帶，金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，其中左幫采用2.2 m長M型鋼帶，右?guī)筒捎?.8 m長M型鋼帶，金屬網(wǎng)采用4～6 mm鐵絲編制而成，錨桿規(guī)格為d20 mm×2 400 mm，間排距為800 mm×800 mm，每兩排安裝2根強預拉力中空注漿錨索，錨索規(guī)格為d24.6 mm×6 000 mm，錨桿、錨索均采用樹脂藥實現(xiàn)全長錨固。

4 數(shù)值模擬分析

為更直觀地了解巖層間的界面、巖層內(nèi)的分布以及巖石節(jié)理裂隙，采用UDEC方法對巷道進行數(shù)值分析。

4.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)3201材料巷支護方案現(xiàn)場試驗所得數(shù)據(jù)，進行對比性數(shù)值模擬，本次模擬模型長40 m×高30 m. 模型內(nèi)的巖煤層分布根據(jù)頂?shù)装邈@孔柱狀圖確定，巖層內(nèi)含有層狀節(jié)理，節(jié)理間距為0.25 ～1.0 m，巷道按實際尺寸及形狀布置。

4.2 3201材料巷數(shù)值模擬分析

為了解支護方案改進后的巷道成型效果，根據(jù)新舊兩種支護方案做了對比性數(shù)值模擬，為了剔除因地質(zhì)條件變化而造成的影響，假設新型支護方案巷道段的地質(zhì)條件相同。數(shù)值模擬結果分別見圖4，5.

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)模擬對比圖

圖5 巷道位移模擬對比圖

圖6 新舊支護方案位移曲線對比圖

由圖4可知，通過對支護方案的改進，巷道兩幫的塑性破壞區(qū)由原有的4 m降低至2 m，低于煤幫支設的錨桿長度，頂板的塑性深度為5 m，底板塑性破壞區(qū)深度約3 m.

由圖5可知，采用支護改進方案后，巷道位移變形量明顯下降，左幫由109 mm降低至66 mm，右?guī)陀?33 mm下降至65 mm，頂、底板位移變形量由超過130 mm下降至50 mm左右。

5 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

在試驗及數(shù)值模擬的基礎上，在3201材料分別選取100 m進行了新舊支護方案現(xiàn)場試驗，對其巷道位移進行實時監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)并制作變形曲線，見圖6.

由圖6可得，通過改進支護，巷道整體圍巖位移得到控制，頂板位移量由133 mm降低至50 mm，兩幫移近量由大于150 mm降低至50 mm以下，巷道圍巖變形量降低了60%～70%，支護效果顯著，較好地保證了巷道的穩(wěn)定。

6 結 論

針對高應力、高溫條件下軟巖巷道支護困難的問題，通過原巖應力實測，得出巷道以水平應力為主，垂直應力對巷道的穩(wěn)定性幾乎沒有影響，水平應力是垂直應力的1.15～2.50倍。 設計了以注漿錨索，高預緊力錨桿錨索，以及幫部錨索聯(lián)合的新型支護方式，并進行現(xiàn)場實測，實測結果可知，巷道圍巖變形量降低了60%～70%，較好地保證了巷道的穩(wěn)定，一定程度上降低了巷道的支護費用及維護費用，保證了工作面安全回采。