葉光輝

(大同煤礦集團(tuán) 云岡煤礦，山西 大同 037000)

我國煤炭產(chǎn)量大，每年巷道掘進(jìn)進(jìn)尺達(dá)6 000 km以上，深部高應(yīng)力軟巖巷道占據(jù)10%以上。由于多年的開采，淺部易開采的煤炭資源日益減少，導(dǎo)致不得不轉(zhuǎn)向開采深部煤炭資源。由于深部軟巖煤礦具有巷道失修率高、支護(hù)極其困難等問題，若未能實(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。所以研究經(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。

我國科研工作者對(duì)松軟巖巷道支護(hù)技術(shù)開展了大量的研究工作，王國強(qiáng)和王海東[1]在小康礦S2S2工作面采取高強(qiáng)錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架技術(shù)，充分發(fā)揮了圍巖承載能力，使巷道變形減小，未發(fā)生冒頂、片幫隱患事故，取得良好的支護(hù)效果。丁向勇等[2]對(duì)蔣家河煤礦ZF1410工作面支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果證明：優(yōu)化后的支護(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[3]對(duì)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[4]在古漢山礦西大巷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，顯著減小了深部軟巖巷道的大變形。

根據(jù)云岡煤礦5615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)，解決5615巷巷道變形速度快，頂板變形嚴(yán)重且產(chǎn)生大量墜袋，巷道底鼓凸起明顯，支護(hù)構(gòu)件屈服破斷等問題，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，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)測5615巷支護(hù)效果。

1 工作面概況

大同煤礦集團(tuán)云崗煤礦位于大同市西郊云崗溝內(nèi)，距大同市20 km，為大寧煤田的一部分，井田分兩個(gè)水平開采。第一水平標(biāo)高1 020 m，主要開采2～2號(hào)(A2)、3號(hào)(B)煤。第二水平標(biāo)高為940 m，主要開采7號(hào)(B5)、8號(hào)(C)、9號(hào)(D)、10號(hào)(D1)、11-3號(hào)(E)、12號(hào)(F)等煤層。礦井為高瓦斯礦井，采用立井開拓方式，本井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存平緩。煤層走向大致為南北向，傾角一般為3°～7°，平均9.4°. 12#煤層厚度為6.0～7.8 m，平均厚度為6.7 m，本井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層賦存平緩。煤層走向大致為南北向，傾角一般為1°～11°，平均4°.

12#煤埋藏深度+918～+946 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)0.2，巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度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)力場環(huán)境，水平構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道的穩(wěn)定性影響較大。5615巷水平標(biāo)高+874～+906 m，掘進(jìn)斷面是11.88 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)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及圖片等資料可知，云岡煤礦5615巷變形破壞特征有：

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、巷道底鼓明顯。

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。

根據(jù)以上特點(diǎn)，得出5615巷發(fā)生變形原因包括：

1) 5615巷地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巷道圍巖充滿泥質(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)元件沒有形成一個(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)過程，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[5]得到支護(hù)原理可用下式表示：

pT=pD+pR+pS

(1)

式中：

PT—開挖巷道過程中圍巖向作業(yè)空間運(yùn)動(dòng)的合力，kN；

PD—軟巖巷道的塑性能通過變形的途徑涌出，kN；

PR—圍巖自撐力，kN；

PS—工程支護(hù)力，kN.

根據(jù)公式(1)發(fā)現(xiàn)，巷道開挖后工程支護(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

1) 原支護(hù)方案。

5615巷原支護(hù)方案采用“錨噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架”支護(hù)技術(shù)，采用d22 mm×2 400 mm的預(yù)應(yīng)力錨桿，錨固長度1 100 mm，預(yù)緊力為150 kN；抗拉強(qiáng)度為780 MPa；U型鋼架采用36U型鋼可縮性拱形支架，每節(jié)搭接長度為600 mm，每搭接處5套U型螺桿式卡纜，每節(jié)梁中部用強(qiáng)力拉板一套，使支護(hù)體發(fā)揮整體支護(hù)能力，棚距為800 mm；金屬網(wǎng)采用自制10#金屬經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)格間距為 40 mm×40 mm，規(guī)格為1 m×10 m；混凝土噴層厚度為490 mm，材料為不含速凝劑的沙漿。

2) 優(yōu)化方案。

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)，即集錨桿(索)注漿加固圍巖、壁后充填柔性填充層和可縮性U型鋼支架于一體的聯(lián)合支護(hù)方法，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。

優(yōu)化方案在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，換用高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)錨桿(抗拉強(qiáng)度大于780 MPa)，并延長錨桿錨固長度至1 400 mm；增加了錨索支護(hù)，錨索規(guī)格為d22 mm×2 700 mm，錨固長度2 000 mm，抗拉強(qiáng)度大于570 MPa，頂部錨索間距為2 400 m，排距為1 500 m，共5根2.7 m長錨索，巷道斷面頂部為一根長4.3 m錨，見圖1. 兩種支護(hù)方案的對(duì)照見表1.

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

依據(jù)5615巷現(xiàn)場實(shí)際情況，建立240 m×120 m×80 m的模型，將其劃分為53 636個(gè)單元。設(shè)置上部為自由邊界、下方為固定邊界，周圍為水平位移約束，模型見圖2. 在模型上部覆巖施加12.11 MPa的載荷，參數(shù)選擇見表2.

表1 兩種支護(hù)方案參數(shù)對(duì)比表

圖1 優(yōu)化方案斷面圖

圖2 數(shù)值模型圖

3.2 數(shù)值模擬過程

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

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

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

計(jì)算過程是先巷道開挖，滯后一段時(shí)間，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)行分段開挖，位置設(shè)于煤層預(yù)先選好點(diǎn)，每次開挖30 m，一共開挖6次，直到最終位置，數(shù)值模擬過程見圖3. 在數(shù)值模擬時(shí)，監(jiān)測監(jiān)控這兩種巷道支護(hù)方案下煤層頂?shù)装宓奈灰屏?，結(jié)果見圖4.

圖3 模擬方案示意圖

圖4 優(yōu)化后巷道頂?shù)装逦灰圃茍D

3.3 結(jié)果分析

通過ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算，確定采用兩種支護(hù)方案后5615巷頂?shù)装逡平浚妶D5.

圖5 5615巷頂?shù)装逡平繄D

由圖5模擬計(jì)算結(jié)果可知，兩種支護(hù)方案的5615巷頂?shù)装逡平烤_始變大，但增大程度明顯不同，采用優(yōu)化的支護(hù)方案后，5615巷的頂?shù)装逡平吭龃蟪潭让黠@低于原支護(hù)方案；工作面推進(jìn)30 m時(shí)，原支護(hù)方案頂?shù)装逡平繛?20 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?24 mm，而原支護(hù)方案頂?shù)装逡平繛?24 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浚湓鲩L率減小27%，優(yōu)化方案可以明顯控制5615巷圍巖的變形，取得了良好的支護(hù)效果。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

圖6 巷道表面位移變化曲線圖

通過現(xiàn)場實(shí)測，得到5615巷頂?shù)装逡平皟蓭褪諗壳闆r，見圖6. 從圖6可知，在工作面推進(jìn)過程中，采用原支護(hù)設(shè)計(jì)方案5615巷頂?shù)装遄畲笠平渴?.049 m，5615巷最大兩幫收斂量是0.317 m；采用優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)方案后5615巷頂?shù)装遄畲笠平渴?.592 m，5615巷最大兩幫收斂量是0.216 m.在采動(dòng)影響下，優(yōu)化后的5615巷變形速度顯著小于原方案支護(hù)，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本和數(shù)值模擬結(jié)果吻合。可見，選擇合理的優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)圍巖的控制起到了良好的效果。

5 結(jié) 論

1) 現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，5615巷破壞的主要特征是巷道變形速度快、大量墜袋產(chǎn)生以及巷道底鼓凸起明顯，支護(hù)構(gòu)件屈服破斷。巷道失穩(wěn)的主要原因是圍巖中充滿擁有較強(qiáng)流變特點(diǎn)的泥質(zhì)巖體，遇水后開始膨脹變形。

2) 通過實(shí)際觀測和數(shù)值模擬結(jié)果可知，“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)巷道圍巖的穩(wěn)定性與可靠性，最大程度地發(fā)揮深部軟巖的自承載能力。5615巷采取優(yōu)化支護(hù)措施后，巷道變形程度明顯減小，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。