經(jīng)來旺，張開放，經(jīng) 緯，張 浩

(1.安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001，3.淮北礦業(yè)股份有限公司蘆嶺煤礦，安徽 淮北 235000)

目前，隨著煤炭開采深度的不斷增加，深埋巷道圍巖出現(xiàn)了不同于淺埋巷道圍巖的失穩(wěn)特征[1-3]。傳統(tǒng)的支護理論和支護方案已經(jīng)無法滿足深埋極松散煤層巷道圍巖變形控制的需求[4-6]。

為此，相關(guān)學(xué)者進行了一系列的研究，如文獻[7]針對深部急傾斜煤層巷道的嚴(yán)重冒頂、底臌等現(xiàn)象提出了可伸縮性U型棚架全斷面封閉支護和非對稱性預(yù)應(yīng)力錨桿(索)復(fù)合支護技術(shù)。文獻[8]針對大斷面巷道底臌問題，提出了在加固巷道幫角和頂板的同時安裝底板錨桿。文獻[9]通過數(shù)值模擬分析了不同工作面回采階段沿空留巷圍巖、充填墻體及煤柱中的應(yīng)力、變形分布特征，并提出了合理的支護對策。

盡管巷道穩(wěn)定性控制理論和技術(shù)方面的研究成果已經(jīng)頗為豐富[10-12]， 但一個嚴(yán)重的問題依然存在，即超前支護系統(tǒng)僅能滿足平頂煤巷的使用。由于極松散深厚煤層巷道目前最佳的支護結(jié)構(gòu)是直墻半圓拱形U鋼棚架，而各種超前支護系統(tǒng)卻難以應(yīng)用在這樣的巷道中[13-15]。 為了有效地解決這一問題， 本文以淮北某煤礦Ⅲ811工作面沿空巷道為研究對象，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場工業(yè)性試驗， 研發(fā)了一種“平頂棚+錨梁+超前注+網(wǎng)布”新型支護技術(shù)， 以期為同類型巷道的穩(wěn)定性控制提供參考。

1 工程概況

該煤礦位于安徽省宿州市埇橋區(qū)蘆嶺鎮(zhèn)，屬于兩淮礦區(qū)，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，所研究巷道為Ⅲ811工作面沿空巷道，巷道埋深750～850m，沿煤層底板掘進。巷道一部分處于8煤層之中，一部分處于底板巖層之中，屬破底巷道，巷道底板寬5 409mm、高3 300mm、頂板寬3 664mm，如圖1所示。8煤層傾角為13°～37°，平均為25°；煤層厚度2.80～13.40m，平均為8.10m，屬特厚煤層；8煤層質(zhì)地松軟，普氏系數(shù)僅為0.3～0.45；8煤層上部巖層為粉砂巖夾泥巖，下部巖層為泥巖或粉砂巖，頂?shù)装迤帐舷禂?shù)均小于3.0，故巷道屬于典型的極松散煤層巷道。

圖1 巷道位置與尺寸示意圖(單位：mm)

2 圍巖變形控制機理

針對該煤礦Ⅲ811工作面沿空巷道的典型的極松散特性，為了保證工作面回采過程中超前支護段使用支護能力很強的超前支護系統(tǒng)，經(jīng)研究決定使用平頂U棚架作為支護主結(jié)構(gòu)。由于平頂U型棚架的承載力不足，本研究又增設(shè)了錨梁輔助增強結(jié)構(gòu)。由于該礦8煤屬極松散煤層，極易破碎成粉，為了防止漏煤卸壓導(dǎo)致U型棚架支護失效，研究又設(shè)置了網(wǎng)布及巷道頂端超前鉆注加固煤頂，從而形成了一種新型支護方式——“平頂棚+錨梁+超前注+網(wǎng)布”，具體介紹如下。

2.1 支護方案

該沿空巷道的支護方案為“平頂棚+錨梁+超前注+網(wǎng)布”，如圖2所示?！捌巾斉铩笔怯?9號U型鋼梁加工成的3節(jié)搭接棚，棚距600mm?！板^梁”是錨索+橫梁。巷道頂板所采用的錨索規(guī)格為YMSφ18mm×10 000mm-1 860， 間排距600mm ×1 200mm；兩幫錨桿參數(shù)：直徑25mm，長2 500mm，間排距600mm×1 200mm；自鉆式注漿錨桿參數(shù)： 直徑25mm， 3 600mm自鉆式錨桿(每節(jié)1 200mm， 每孔需3節(jié))，共布置6根錨桿，頂板4根，兩幫靠近幫頂各1根，間排距1 000mm×1 200mm?！熬W(wǎng)布”是錨網(wǎng)與雙抗布，在巷道頂板和側(cè)幫使用。

圖2 支護方案圖

2.2 控制機理

該支護方案的核心思想是“防漏增阻、錨架互強、頂注防漏、增壓提穩(wěn)”，具體分析如下。

1)防漏增阻 使用金屬網(wǎng)與雙抗布作為支護材料，雙抗布是一種抗靜電、阻燃燒的特殊布料，其在支護中的主要功能是防止碎煤泄漏和圍煤卸壓，從而產(chǎn)生兩個重要效應(yīng)：①圍煤與錨桿索之間的摩擦力會大幅提高，彌補極松散煤體中無法使用錨固劑錨固的缺陷；②巷道幫部的破碎煤體因為密實度提高且被封閉，故自承載力會大幅提升。

2)錨架互強 “錨架互強”指的是錨桿索與棚架具有相互增強的作用。產(chǎn)生的效應(yīng)表現(xiàn)為：①錨桿索與煤體之間的摩擦阻力增大，使得錨桿索的拉拔力大幅提升，錨桿索拉拔力的提升進一步促使棚架整體承載力的提高；②棚架承載結(jié)構(gòu)承載力的提高約束了巷道圍巖的變形，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部壓力增大，而這又會增大錨桿索與圍煤之間的摩擦力。

3)頂注防漏 采用自鉆式注漿錨桿沿巷道頂部預(yù)先在尚未開挖的工作面前端實施頂部注漿。通過注漿預(yù)先將工作面前方上部煤體膠結(jié)加固，從而產(chǎn)生兩個作用：①防止巷道開拓過程中冒頂事故；②防止碎煤泄漏和上部煤體“離層”現(xiàn)象。

4)增壓提穩(wěn) “增壓提穩(wěn)”的主要機理與頂升用液壓缸的承載機理是一樣的，液壓缸之所以能夠承受巨大壓力的作用是因為油缸缸壁對其內(nèi)的液壓油有很大的位移約束作用，二者相互結(jié)合所發(fā)揮的巨大承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了油缸本身承載力與液壓油本身承載力之和。本技術(shù)方案中的一系列措施都是為了提高巷道圍巖中破碎煤體內(nèi)邊緣的位移約束作用，從而使得其內(nèi)破碎煤體內(nèi)部可以產(chǎn)生很大的壓力，內(nèi)部產(chǎn)生的壓力越大，穩(wěn)定性就會越高。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

根據(jù)工程實際情況，利用ABAQUS數(shù)值模擬仿真計算軟件通過3D Sweep建立整體，再劃分成塊建立巖體模型；建立單獨的錨桿索、棚架，組裝成支護模型，如圖3所示。

(a) 巖體模型 (b)支護模型圖圖3 數(shù)值模型圖

在模擬中，通過設(shè)置生死單元的方法模擬巷道開挖和支護的實施。通過軟化模量法模擬巷道在開挖后的應(yīng)力釋放；錨桿索全長錨固通過相互作用中的嵌入實現(xiàn)；托盤與橫梁的接觸、橫梁與U型棚接觸、U型棚與巷道的接觸都通過相互作用中的綁定實現(xiàn)；超前注漿通過添加場變量實現(xiàn)；蠕變分析通過分析步中的Visco分析步實現(xiàn)。

3.2 基本模擬參數(shù)

模型上邊界施加的等效載荷等于上覆巖層的重量?h=17.5MPa，其中重力加速度取值g=10m/s2。模型計算采D-P準(zhǔn)則，A、m、n為巖石蠕變參數(shù)，巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石材料屬性

3.3 模擬結(jié)果

通過軟化模量法模擬采空區(qū)開采后所產(chǎn)生松散體范圍內(nèi)煤巖體的力學(xué)性質(zhì)變化，模擬采空區(qū)開采引起的周邊巖體力學(xué)行為變化，模擬結(jié)果如圖4所示。蠕變前后的數(shù)值分析云圖如圖5所示。

圖4 采空區(qū)開采后豎直向下的位移

(a)蠕變前水平位移圖 (b)蠕變后水平位移圖

在進行模擬的過程中，將現(xiàn)場所定監(jiān)測點(頂板中點、幫部中點、底板中點)為模型中的參考點，并作出參考點的時間歷程曲線，如圖6所示。由圖6可得頂板下沉蠕變量為0.006 8m，左幫位移蠕變量為0.053 5m，底臌蠕變量為0.292 2m，右?guī)臀灰迫渥兞繛?.091 3m。巷道圍巖在支護后第40d進入穩(wěn)定蠕變。

圖6 參考點時間歷程曲線

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 監(jiān)測點設(shè)置

現(xiàn)場監(jiān)測斷面布設(shè)在距切眼580m、600m、620m位置處(巷道長度約800m)，每個監(jiān)測斷面共布設(shè)4個監(jiān)測點，分別是頂板中點、底板中點、左幫中點、右?guī)椭悬c。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析

整個監(jiān)測過程不受工作面推進動壓影響，共計監(jiān)測180d。將數(shù)據(jù)進行處理獲得巷道圍巖變形規(guī)律曲線如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場監(jiān)測位移曲線

由圖7可得巷道圍巖在經(jīng)過180d的變形后，頂板下沉量為0.010 1m，左幫變形量為0.079 5m，底臌量為0.339 6m，右?guī)妥冃瘟繛?.124 4m。巷道圍巖大約在第40d時達到穩(wěn)定蠕變狀態(tài)。模擬所得結(jié)果與現(xiàn)場檢測結(jié)果基本吻合，說明支護方案合理，巷道服務(wù)期內(nèi)無需任何返修。

5 結(jié)論

本研究給出了一種全新的適用于深厚極松散煤層巷道的支護新技術(shù)：“平頂棚+錨梁+超前注+網(wǎng)布”技術(shù)；提出了有效控制深厚“三軟”煤層巷道穩(wěn)定性的“防漏增阻、錨架互強、頂注防漏、增壓提穩(wěn)”原理。數(shù)值模擬與現(xiàn)場結(jié)果表明，該技術(shù)不僅控幫抑頂效果明顯，而且抑制底臌效果也十分理想。

但本文數(shù)值模擬中巷道圍巖劃分不夠細(xì)致，同時忽略了溫度和圍巖水對巷道圍巖蠕變的影響，在后續(xù)不斷的深入研究中，這些因素都應(yīng)得到重視。隨著新理論的探究及新技術(shù)的研發(fā)，計算模型會更加符合工程實際，所得結(jié)果更具有指導(dǎo)意義。