破碎硅化煤層巷道棚-索補償支護技術及應用

馬海興

(寧夏大學新華學院，寧夏 銀川 750021)

通過廣大學者和技術人員多年的研究，以錨桿支護為代表的柔性支護在作用機理和施工技術上都有了很大提高，逐步被應用到各型巷道的開挖支護中，在大同、兗州、淮北等礦區，錨網支護比例都將近90%甚至更高[1-3]。然而，從各大礦區的支護形式來看，以U29鋼棚為代表的被動支護仍不能被完全取代，尤其是在裂隙發育、松散破碎圍巖中，錨網支護錨固力、預緊力都受到較大程度的限制，此時U29棚的支護效果便得到顯著體現[4-6]。

在工程中，由于U29棚自身結構的限制，當其承受的荷載較大時，在棚角、棚頂以及可縮連接處(圖1)都會因彎矩過大而發生破壞，為了解決U型棚在支護過程中的不足，提高其承載能力，本文以同煤二礦5#層過火成巖入侵段盤區皮帶巷為研究對象，綜合運用現場實測、理論分析和數值模擬手段，分析現用U29棚支護過程中存在的問題，提出棚-索補償支護技術，利用FLAC3D再現了補償前后棚體彎矩分布，闡述了棚-索補償支護的重要性，通過對現用支護參數的稍加調整，使5#層盤區皮帶巷的長周期安全使用得到了充分的保證。

圖1 U型棚架易破壞區域

1 工程概況

同煤二礦5#層煤厚9.8～29.21m，平均15.2m，煤層埋深約490m，煤層頂、底板及夾矸巖性一般為高嶺巖、高嶺質泥巖、砂質泥巖和碳質泥巖，局部為粉砂巖和細粉砂巖。盤區皮帶巷斷面為直墻拱形，寬4.2m，高3.5m，四周煤層為均未開采的實體煤，巷道沿煤層中部布置，現場鉆孔表明，巷道頂板上方煤層厚8.4m，底板以下煤層厚6.0m。受大量巖漿巖侵入，煤層受熱變質、硅化，裂隙發育，強度較低，輕易就能用手捏碎，如圖2所示。

圖2 5#層硅化裂隙發育煤體

2 棚-索補償支護技術研究

2.1 工程測試

為了進一步掌握巷道開挖后圍巖的破壞范圍，利用鉆孔攝像儀[7]對圍巖松動圈厚度進行實測，圍巖內部破壞如圖3所示，根據鉆孔窺視結果，5#層過火成巖入侵段盤區皮帶巷圍巖松動圈厚度在1.84～3.9m之間，大部分圍巖破壞范圍超過了常用錨桿的支護范圍，屬于大松動圈范圍[8]。

圖3 5#層盤區皮帶巷圍巖內部破壞圖

根據松動圈支護理論，該巷道支護設計應從組合拱理論+可縮性棚架出發，因此，初步支護方案為：Φ22mm×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，一個斷面12根，間排距730mm×800mm；Φ17.8mm×8000mm鋼絞線錨索，一個斷面5根，間排距1600mm×1600mm；U29型鋼架棚，排距1000mm；錨桿支護掛網，架棚支護背板。

2.2 棚-索現用支護分析

為了獲得支護方案的效果，現用FLAC3D軟件[9-10]進行模擬研究。在火成巖入侵段巷道頂底板用取芯機鉆取煤巖試樣，經實驗室加工成Ф50mm×100mm標準煤巖試樣，各項指標與國際巖石力學會(ISRM)試驗規程中的要求相同。將試樣放入MTS815.02S試驗機進行單軸、三軸試驗，加載速度0.1mm/min，圍壓大小為：2MPa、5MPa和8MPa，加載速率為3MPa/min，獲得模擬研究所需的基礎參數，詳細結果見表1。

表1 圍巖力學特性測試結果

以半圓拱圓心為坐標原點，沿巷道走向取單位長度，其余方向各取30m，上部自由面，其余為位移邊界。根據地質報告，上表面施加豎向應力8.0MPa模擬上部巖層的荷載，水平四面施加4.5MPa模擬水平應力。選用摩爾庫倫模型進行計算，利用FLAC3D自帶的cable單元模擬錨桿和錨索，beam單元模擬U29鋼棚，經過初始平衡-開挖應力釋放-支護計算等過程，得到計算平衡后U29鋼棚的彎矩分布如圖4所示。

圖4 棚-索未補償支護時棚架彎矩分布(單位：N·m)

由圖4可知，U29型鋼棚在5#層盤區皮帶巷道的支護過程中，其彎矩分布從棚角向上呈正弦函數變化，在直墻與拱交界處、水平方向45°及拱頂，棚架彎矩較小，直墻幫、水平方向27°和69°彎矩較大，尤其是在直墻段，由于沒有水平支撐，該段U29型鋼棚受兩幫水平應力作用內擠變形較大，達到189mm，最大彎矩52.48kN·m。

根據規范，U29型鋼屈服強度520MPa，抗彎截面模量94cm3，則U29鋼棚的屈服彎矩為48.8kN·m，可見，在5#層盤區皮帶巷道過破碎硅化煤層段，U29型鋼的實際彎矩已超出其屈服荷載，極易發生破壞，進而影響棚架的整體支護效果。

2.3 棚-索補償支護機理

從上文可以看出，在目前所用的“錨網+棚架”支護中，錨網支護和棚架支護是兩個相互獨立的支護形式，施工過程中先施工柔性的錨網支護，再施工剛性的棚架支護，只是在支護順序上的疊加，而不能使二者的內在本質有機的結合在一起。

在破碎圍巖的支護中，支護整體性顯得尤為重要，任何一個部位的局部失穩都會導致整體結構的失效，因此，在棚-索支護中，如何提高兩種支護系統的整體性，減少局部弱面的存在，進而使支護體的承載性能得到充分的發揮，成為決定支護效果的關鍵。

由上文可知，5#層盤區皮帶巷的初步支護方案中，U型鋼棚存在多個薄弱環節，為了改善U型鋼棚的受力環境，可以將每個薄弱部位均施加一根錨索，錨索的端部通過槽鋼與棚架連接在一起，使錨索與U型鋼棚在支護性能的發揮上相互補償：對于柔性支護來說，一定程度上增加了錨索的托盤面積，對破碎圍巖表面控制效果提高；對于U型鋼棚架，錨索的增設變相的減少其受力棚體的跨度，其自身的受力環境能得到很好的改善。

為了檢驗棚-索補償支護的效果，用FLAC3D軟件進行模擬，在上文的基礎上，調整錨索的分布位置，通過刪除cable、beam與zone單元建立的相關單元體-zone鏈接，建立cable與beam之間的node-node鏈接，將錨索與U型鋼梁通過link連接在一起，實現二者的相互補償，計算結果如圖5所示。

圖5 棚-索補償支護時棚架彎矩分布(單位：N·m)

分析圖5可知，在棚架薄弱部位施加錨索后，由于錨索的約束作用，U型鋼棚架的變形被錨索控制，最大變形量為83.5mm，其抗彎性能得到了大幅度的提高，尤其是在直墻段，補償支護前52.48kN·m的巨大彎矩被分成了三段較小的量值，棚架受力更加均勻，補償支護后棚架最大彎矩為10.58kN·m，僅為屈服彎矩的21.7%，較補償支護前降低了79.8%。

在錨網支護的效果方面，錨索被U型鋼棚連接在一起，彼此之間受力更為均勻，如圖6所示，在預緊力的作用下，巷道周圍形成了綠色的壓應力增高區，區域厚度從頂部的1.2m向兩幫逐漸增大，最大值達到3.6m。

圖6 棚-索補償支護時最大主應力分布(單位：mm)

3 工程應用

在2.1節現用支護方案的基礎上，根據2.3節研究成果調整錨索位置，增加錨索排距到2000mm，利用槽鋼將錨索與U29型鋼棚架連接在一起，使錨網支護與棚架支護相互補償，其余參數同現用方案，最終棚-索補償支護方案如圖7所示。

圖7 棚-索補償支護橫斷面圖

為了檢驗棚-索補償支護的效果，在5#層盤區皮帶巷過火成巖入侵段巷道進行了工業性實驗，施工時先安裝錨桿、金屬網，之后架棚，最后施工錨索，并通過槽鋼將錨索與棚架組成相互補償的整體。從巷道開挖到圍巖穩定，巷道頂板下沉47.2mm，兩幫收斂86.3mm，巷道施工完成到現在，U型鋼棚沒有發生明顯的變形，巷道運行狀況良好。

4 結論

1) 松動圈實測結果表明，5#層過火成巖入侵段盤區皮帶巷圍巖松動圈厚度在1.84～3.9m之間，屬于大松動圈范圍，大部分圍巖破壞范圍超過了常用錨桿的支護范圍。

2) 現用棚-索支護中錨網支護與架棚支護相互獨立，彼此只是施工順序的疊加，棚架所受彎矩較大，數值模擬結果表明，棚架彎矩呈正弦函數分布，最大值為52.48kN·m，超過了其屈服彎矩，直墻段易首先發生破壞。

3) 利用槽鋼將錨索與棚架組合成一個整體后，錨索、棚架兩種支護結構相互補償，棚架受力環境得到了很好的改善，最大彎矩為10.58kN·m，僅為屈服彎矩的21.7%，較補償支護前降低了79.8%。

4) 棚-索補償支護后，錨網支護的組合拱效果也得以加強，巷道周圍形成了綠色的壓應力增高區，區域厚度從頂部的1.2m向兩幫逐漸增大，最大值達到3.6m。工業性實驗結果表明，巷道支護效果良好，棚架至今未發生明顯變形。

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