汪琦,彭文慶,朱豪,鄒詩同

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

多項(xiàng)勘測數(shù)據(jù)表明煤炭資源主要集聚在地表千米深度以下,淺層資源相對較少,我國淺部煤礦開采基本已達(dá)到飽和狀態(tài),深部煤礦資源未能得到充分開采[1].隨著煤礦掘進(jìn)深度的增加,深部巷道的支護(hù)成為至關(guān)重要的問題.國內(nèi)對于深部巷道支護(hù)一般采用高強(qiáng)度、高剛度支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行“硬抗”,但是一般都沒能取得理想的效果,多次補(bǔ)修和加固后也不能很好地控制深部巷道圍巖的變形,所以對于深井圍巖巷道支護(hù)技術(shù)的研究具有重要的意義[2-6].針對深部巷道圍巖變形破壞以及支護(hù)設(shè)計(jì)等問題,李鵬飛通過FLAC3D數(shù)值模擬分析不同釋壓材料支護(hù)下巷道圍巖的變形情況,發(fā)現(xiàn)置孔釋壓材料對于巷道支護(hù)具有良好的效果[7];牟平平通過COMSOL數(shù)值模擬軟件得出測壓系數(shù)與巷道塑性破裂區(qū)之間的關(guān)系,并且發(fā)現(xiàn)在開挖之前對圍巖進(jìn)行注漿加固效果更好[8];黃玉東等通過解決趙固一礦2#煤層巷道圍巖變形破壞的問題，提出了采用全長預(yù)應(yīng)力錨固強(qiáng)力錨桿錨索控制技術(shù),使巷道變形得到有效控制[9];王衛(wèi)軍等對趙固二礦存在的巷道圍巖問題采用“可接長錨桿+剛性長螺紋鋼錨桿+錨網(wǎng)+W鋼帶+噴射混凝土”綜合控制技術(shù),并輔以可接長錨桿強(qiáng)化頂板的支護(hù)方案,降低維護(hù)費(fèi)用的同時(shí),保障了巷道的安全使用[10].許多學(xué)者對深部圍巖巷道變形問題的研究都取得了階段性的成果,但是該問題還未得到充分的解決,只有解決這個(gè)問題,我國的深部礦產(chǎn)資源才能得到充分利用.本文根據(jù)平煤六礦實(shí)際地質(zhì)條件,對原巷道采用“先抗后讓、剛?cè)峄パa(bǔ)、分級強(qiáng)化”支護(hù)方案,限制塑性區(qū)惡性擴(kuò)展,維護(hù)巷道圍巖整體穩(wěn)定性,最大限度減少圍巖的變形.通過現(xiàn)場觀測結(jié)果表明,該支護(hù)方案使巷道趨于穩(wěn)定狀態(tài)并能滿足正常使用要求.

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)狀

平煤六礦三水平戊二軌道上山段,頂?shù)装宥酁樯百|(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖,強(qiáng)度較低,巖性偏軟.該巷道屬典型的深部巷道,地質(zhì)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜,圍巖整體性差,承載力低,圍巖壓力大,礦壓顯現(xiàn)劇烈.巷道變形量大,兩幫收斂,頂板下沉嚴(yán)重,部分U型鋼棚壓曲、卡纜松動、折斷損壞,致使巷道高度及斷面不足,軌道無法正常使用,影響系統(tǒng)運(yùn)輸,不能滿足礦井安全生產(chǎn)的要求.

為了維持軌道上山巷道運(yùn)輸服務(wù)及礦井正常生產(chǎn),近年來六礦對其進(jìn)行了多次擴(kuò)修架棚,不僅浪費(fèi)了大量人力、物力和財(cái)力,而且難以從根本上控制巷道圍巖的大變形,巷道屢修屢壞的被動局面沒有得到好轉(zhuǎn).若不采取合理的支護(hù)技術(shù)方案,巷道圍巖變形將愈演愈烈,進(jìn)而導(dǎo)致巷道破壞失穩(wěn),引發(fā)惡性災(zāi)害事故,嚴(yán)重影響礦井正常的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益.所以,設(shè)計(jì)合理、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方案,保障巷道在使用年限內(nèi)具備安全可靠的生產(chǎn)條件成為目前礦井遇到的主要問題.

1.2 地應(yīng)力測試

根據(jù)地應(yīng)力測點(diǎn)布置的基本原則,結(jié)合三水平戊二機(jī)巷高位巷工程地質(zhì)情況,在現(xiàn)有巷道揭露范圍內(nèi),選擇局部相對完整的巖體布置3個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行地應(yīng)力實(shí)測,測點(diǎn)埋深825 m左右,間距100 m,孔深10 m,仰角和方位角都為8°,測點(diǎn)具體布置如圖1所示.

圖1 地應(yīng)力測點(diǎn)布置

現(xiàn)場測得ZL-1,ZL-2和ZL-3測孔處的地應(yīng)力結(jié)果如表1所示.

表1 地應(yīng)力分布

根據(jù)3個(gè)測孔數(shù)據(jù)計(jì)算平均值,得出巷道最大主應(yīng)力平均值為31.6 MPa,方向?yàn)?85.9°,傾角-11.2°;中間主應(yīng)力平均值為15.6 MPa,方向?yàn)?66.6°,傾角-52.9°;最小主應(yīng)力平均值為12.8 MPa,方向?yàn)?07.8°,傾角19.8°.同時(shí)根據(jù)該軌道上山的方位角進(jìn)行判定,得出該巷道是沿著最大主應(yīng)力方向掘進(jìn),且其軸向水平應(yīng)力、垂直巷道軸向水平應(yīng)力、巷道所受垂直應(yīng)力的大小分別為31.6,12.8,15.6 MPa.地應(yīng)力方向如圖2所示.

圖2 地應(yīng)力方向

2 深部軟巖巷道圍巖支護(hù)效果的數(shù)值分析

2.1 建立數(shù)值分析模型

對平煤六礦的地質(zhì)資料進(jìn)行處理,運(yùn)用FLAC3D軟件建立一段上山軌道的數(shù)值分析模型.三維模型的尺寸為長50 m,高50 m,厚30 m,生成的網(wǎng)格共劃分為226 680個(gè)單元,235 053個(gè)節(jié)點(diǎn),模型的上邊界為自由邊界(地表),其余邊界為固定邊界,如圖3所示.

圖3 戊二軌道上山數(shù)值模型

本次數(shù)值分析根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果并結(jié)合埋深,確定模型垂直應(yīng)力為16 MPa,水平應(yīng)力為13 MPa.圍巖的力學(xué)與變形參數(shù)如表2所示,模型的數(shù)據(jù)將采取Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算.

表2 數(shù)值模擬巖層計(jì)算參數(shù)

2.2 原支護(hù)方案模型

戊二軌道上山原支護(hù)方案主要采取錨網(wǎng)索+注漿聯(lián)合支護(hù).錨桿采用KMG22-500高強(qiáng)樹脂錨桿,規(guī)格為Ф22 mm×2 800 mm,間排距700 mm×700 mm,Z2840樹脂藥卷3卷/根,錨桿錨固力為230.4 kN;錨索采用Ф22 mm×8 000 mm的鋼絞線,布置于拱部的位置間排距1 400 mm×1 400 mm,Z2840樹脂藥卷5卷/根;金屬網(wǎng)采用Ф6 mm×80 mm×80 mm單層金屬焊接網(wǎng),搭接長度100 mm;噴厚150 mm、砼標(biāo)號為C20.原支護(hù)方案的計(jì)算模型如圖4所示,數(shù)值模擬應(yīng)力云圖如圖5所示.

圖4 原支護(hù)方案的支護(hù)模型

圖5 原支護(hù)方案數(shù)值模擬應(yīng)力云圖

由圖5可以看出:圍巖處于較大范圍的低應(yīng)力狀態(tài),而且應(yīng)力在巷道周圍有較為明顯的集中程度.塑性區(qū)內(nèi)破裂圍巖的剪脹擴(kuò)容引起圍巖向巷道邊緣凸出,擠占巷道空間,直觀體現(xiàn)為底板變形量較大,引起嚴(yán)重的底臌現(xiàn)象.由圖5a可知幫部塑性區(qū)深度與底板塑性區(qū)深度相差較大,分別為1.80 m和5.04 m.拱肩塑性區(qū)最大6.4 m,拱頂塑性區(qū)的范圍是1.0 m,塑性區(qū)呈現(xiàn)出“蝶形”形態(tài),呈現(xiàn)該形態(tài)的主要原因是圍巖處于非等壓應(yīng)力狀態(tài).部分區(qū)域的塑性區(qū)已經(jīng)超過了錨桿的錨固支護(hù)范圍,使得錨桿的錨固基礎(chǔ)位于較為松散的塑性區(qū)圍巖中,錨固力將出現(xiàn)大幅下降,基本處于失效狀態(tài),難以發(fā)揮錨桿應(yīng)有的支護(hù)作用.

采用FLAC3D計(jì)算巷道周邊圍巖位移矢量云圖,如圖6所示.由圖6可見,巷道的周邊塑性區(qū)深度與周邊圍巖的位移量大體呈正相關(guān)性,圍巖塑性區(qū)深度越大相對的圍巖位移量也增大.巷道圍巖變形為峰后塑性區(qū)圍巖的剪脹擴(kuò)容變形,以及峰后碎裂塊體間錯(cuò)動、滑動或翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的碎脹變形,因此,圍巖變形量與圍巖塑性區(qū)的深度成正相關(guān),即塑性區(qū)越深,圍巖變形量也越大.將位移云圖和塑性云圖進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),巷道圍巖中位移速率偏大處,相對塑性區(qū)的深度也偏大;同時(shí),底板塑性區(qū)的深度遠(yuǎn)大于幫部塑性區(qū)深度.說明底板塑性區(qū)缺乏有效、可靠的支護(hù)手段,導(dǎo)致巷道出現(xiàn)較為嚴(yán)重的底臌.底板位移矢量最大,而且在計(jì)算步數(shù)之內(nèi)還沒有完全趨于穩(wěn)定.因此,需要優(yōu)化錨桿的支護(hù)設(shè)計(jì)方案,使錨桿的錨固基礎(chǔ)位于巖性較好的彈性區(qū)圍巖內(nèi).

圖6 圍巖位移矢量云圖

2.3 新支護(hù)方案模型

由于原方案中產(chǎn)生的巷道底臌較為嚴(yán)重,原支護(hù)方案不能適應(yīng)這種圍巖,因此,根據(jù)軌道上山的破壞機(jī)理對原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).對于巷道支護(hù)應(yīng)“讓抗結(jié)合”,提高內(nèi)結(jié)構(gòu)圍巖強(qiáng)度,充分利用圍巖體自身承載能力,而壓力過大部分由預(yù)留變形量進(jìn)行適當(dāng)釋放,降低巷道應(yīng)力集中程度.而后通過全斷面深錨注漿大幅提高底、頂板及幫部的穩(wěn)定性,在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)之上提出以“預(yù)留變形+普通錨桿+普通錨索+注漿”的綜合治理技術(shù).運(yùn)用FLAC3D軟件分析圍巖塑性區(qū)發(fā)育及變形過程,將圍巖視為分層各向同性彈性介質(zhì),模型的主要計(jì)算參數(shù)同原方案采取的參數(shù),新支護(hù)方案的計(jì)算模型如圖7所示.經(jīng)過一定步數(shù)的迭代計(jì)算,得出新支護(hù)方案的圍巖塑性區(qū)分布圖以及應(yīng)力云圖,如圖8所示.

圖7 新支護(hù)方案計(jì)算模型

圖8 新支護(hù)方案數(shù)值模擬應(yīng)力云圖

由圖8可以發(fā)現(xiàn):應(yīng)力較為集中的位置處于幫部,而且應(yīng)力集中程度降低.說明新支護(hù)方案提高了圍巖的整體穩(wěn)定性,并增強(qiáng)了支護(hù)與圍巖的承載作用,大大減小了應(yīng)力集中程度,使得圍巖不容易達(dá)到塑性屈服狀態(tài),間接減小了塑性區(qū)的范圍,能維護(hù)巷道的長期穩(wěn)定性.巷道圍巖呈現(xiàn)的塑性區(qū)對比原來的方案小得多,應(yīng)力釋放范圍也比較小.巷道頂板塑性區(qū)深度為0.5 m,相當(dāng)于原方案的二分之一,底板塑性區(qū)深度為1.9 m,拱肩塑性區(qū)深度為2.4 m相比其他位置偏大,幫部塑性區(qū)深度為1.5 m,均小于錨桿的長度,錨桿處于高阻工作狀態(tài),較少出現(xiàn)失效現(xiàn)象.

使用新支護(hù)方案后圍巖的位移情況如圖9所示.

圖9 新支護(hù)方案位移矢量云圖

比較圖6和圖9發(fā)現(xiàn):新方案和原方案相比底板位移矢量減少許多,幫部與頂部位移量的降低幅度相對較小.這說明改進(jìn)后的支護(hù)方案加固了巷道的穩(wěn)定性，尤其是進(jìn)行注漿后,巖體的整體性有了明顯的提高,同時(shí)增強(qiáng)了支護(hù)與圍巖的承載作用,圍巖在可控范圍之內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定,很好地控制了底板位移量.

綜上所述,改進(jìn)后的支護(hù)方案有利于穩(wěn)固軌道上山的圍巖,加強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖承載體的整體強(qiáng)度,對于維護(hù)巷道的穩(wěn)定性有極大的好處.

3 工程實(shí)踐

3.1 新支護(hù)方案

新支護(hù)方式的基本流程是先打普通錨桿進(jìn)行讓壓支護(hù),隨著開挖的進(jìn)行,為了充分發(fā)揮圍巖的自支承作用,根據(jù)圍巖的變形特性,在其變形速度顯著降低后且圍巖不發(fā)生松脫、垮塌的前提下,施加彈性錨索和中空注漿錨索.該方式能充分利用巷道圍巖自身潛在的穩(wěn)定性,并在一定程度上改善塑性區(qū)內(nèi)破裂圍巖的力學(xué)特性.

新支護(hù)方案選用Ф22 mm×2 600 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護(hù),錨桿材質(zhì)為BHRB500.每根錨桿使用3卷K2350樹脂錨固劑,錨固力不低于70 kN,錨桿間排距為700 mm×700 mm.錨索采用Ф21.6 mm×6 500 mm的彈性錨索,間排距為1 400 mm×1 400 mm.采用樹脂錨固劑端部錨固,錨固長度為1 600 mm,如圖10所示.

圖10 戊二軌道上山錨桿與錨索支護(hù)(單位:mm)

底板注漿錨索支護(hù)采用Ф21.6 mm×6 500 mm,19股鋼絞線中空注漿錨索,1卷S2360和2卷Z2360樹脂藥卷錨固.錨索排式布置,孔深6 m,間排距為1 200 mm×1 400 mm,每排4根,其中2根與底板呈60°布置,另外2根注漿錨索垂直底板布置,如圖11所示.

圖11 戊二軌道上山高強(qiáng)中空注漿錨索支護(hù)方案(單位:mm)

3.2 頂板離層量監(jiān)測

監(jiān)測點(diǎn)的深基點(diǎn)距巷道表層6 500 mm,淺基點(diǎn)距巷道表層3 000 mm,監(jiān)測結(jié)果整理如圖12所示.

從圖12可以看出:在監(jiān)測時(shí)間內(nèi),前期離層量增加較大,頂板下沉速度也較大;后期離層量增長速率逐漸放緩,趨于不變.深基點(diǎn)離層量最大值為200 mm左右,淺基點(diǎn)離層量最大值為150 mm左右,其中淺基點(diǎn)離層量占到總離層量的75%,說明離層量主要發(fā)生在淺部圍巖中.

圖12 監(jiān)測點(diǎn)圍巖離層量曲線

3.3 圍巖表面位移監(jiān)測

圍巖表面位移監(jiān)測結(jié)果如圖13所示.在監(jiān)測前期,頂板、底板及幫部位移移近速率較大,移近量較大,監(jiān)測后期的位移移近速率逐漸減小,趨于穩(wěn)定,幫部最大移近量為220 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?30 mm.

圖13 監(jiān)測點(diǎn)圍巖表面位移曲線

該巷道采用新支護(hù)方案后,與原有支護(hù)方案對比發(fā)現(xiàn),新支護(hù)顯著降低了圍巖變形速度,縮小了圍巖的塑性區(qū),使圍巖的變形得到緩解.在觀測期間內(nèi),暫未發(fā)現(xiàn)錨桿桿體破斷、圍巖冒頂、片幫等變形情況,說明以蝶形破壞理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)方案具有很好的支護(hù)效果,能夠明顯減小巷道因大變形帶來的重復(fù)翻修工作量.

4 結(jié)論

1)圍巖變形量與圍巖塑性區(qū)的深度成正相關(guān),即塑性區(qū)越深,圍巖變形量也越大.

2)在數(shù)值模擬和地應(yīng)力測試中發(fā)現(xiàn),底板是支護(hù)的薄弱點(diǎn),地應(yīng)力過大導(dǎo)致巷道出現(xiàn)嚴(yán)重底臌,需要對其進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù).

3)巷道支護(hù)采用“讓抗結(jié)合”的方法,做到被動支護(hù)與主動支護(hù)相結(jié)合,充分利用圍巖體自身承載能力,可以更好控制圍巖的變形.