安徽潘二礦東二采區(qū)膠帶機巷圍巖穩(wěn)定性控制技術*

李金蘭　劉　濱　李中楠

(1.湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院；2.中國科學院武漢巖土力學研究所；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；5.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

井底車場是連結井下運輸和井筒提升的樞紐，作為煤炭礦井主要的運輸、軌道、聯(lián)絡、通風巷道，巷道之間聯(lián)系密切，形成了復雜的巷道群體系。煤礦開采進入深部后，由于工程地質條件的復雜性以及巷道群近距離開挖時的擾動影響，導致圍巖穩(wěn)定性與巷道開挖過程存在密切相關性。在巷道圍巖開挖過程中，開挖順序會對相鄰巷道的破裂損傷區(qū)、應力擾動區(qū)的分布范圍和圍巖破壞損傷程度產生明顯影響。為確保巷道開挖安全、順利進行，各巷道之間的開挖順序一直是巷道群整體穩(wěn)定性研究的重點[1-6]。

針對開采順序影響巷道穩(wěn)定性的問題，楊萬斌等[7]采用非線性有限元數(shù)值計算方法，研究了不同開挖順序下大跨度全煤巷道的應力、位移分布特征和圍巖破壞范圍的變化規(guī)律；程樺等[8]以朱集煤礦為例，采用廣義的Hoek-Brown準則估算了巖體的力學參數(shù)，根據(jù)硐室群的施工條件，運用動態(tài)規(guī)劃理論優(yōu)選了深埋硐室群的最佳施工順序；李家卓等[9]以張集煤礦1113(1)工作面軌道巷為例，分析了軌道巷多次擾動失穩(wěn)機理，并對煤層群臨近層多工作面的回采順序進行了數(shù)值計算，再現(xiàn)了不同開采順序下的底板動壓回采巷道的圍巖力學環(huán)境；張毅等[10]利用FLAC3D軟件，模擬分析了趙莊礦皮帶硐室群在不同開挖順序下圍巖變形特性和應力特征，并提出了相應的支護對策；此外，徐文斌等[11]，李璐等[12]，郭進平等[13]也開展了相關研究工作，成果豐碩。本研究以潘二礦東二采區(qū)井底車場巷道群為研究對象，根據(jù)3條巷道的空間位置關系，擬定了3種比較典型的開挖方案，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，通過分析不同開挖順序下圍巖的應力場、位移場及塑性破壞區(qū)的差異，優(yōu)選出對圍巖穩(wěn)定性影響最小的最佳開挖順序，在此基礎上，結合深部巖巷支護理論對膠帶機巷的支護方案進行設計。

1　工程概況

潘二礦東二采區(qū)井底車場巷道群的3條目標大巷(軌道巷、膠帶機巷、回風巷)處于-520 m水平，且巷道布置于11#煤層底板。巷道圍巖巖性主要為泥巖、砂質泥巖、含炭泥巖、薄煤層以及弱膠質砂巖，屬于極高地應力區(qū)，巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石破碎，遇水易軟化、泥化。原巷道支護設計為巷道斷面為直墻半圓拱形，半圓拱凈斷面規(guī)格為2 550 mm×1 500 mm(寬×高)，巷道整體凈斷面規(guī)格為5 100 mm×4 050 mm(寬×高)。東二采區(qū)膠帶機大巷位于-517 m 水平，其兩側分別布置有-502 m回風大巷及-522 m軌道運輸大巷，各巷道的位置關系見表1，平面關系見圖1。

表1　膠帶機大巷與相鄰巷道的位置關系　m

圖1　井底車場平面布置示意

2　巷道開挖方案數(shù)值模擬分析

2.1　數(shù)值模型構建

根據(jù)潘二礦工程地質特征和東二采區(qū)巖層層位分布情況，并結合3條平行巷道的位置(沿X軸正向依次為軌道巷、膠帶機巷、回風巷)以及巷道斷面規(guī)格，本研究應用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，構建了與工程地質實際情況等效的數(shù)值模型(圖2)，模型幾何尺寸為200 m×90 m×150 m(長×寬×高)，模型共有171 500個單元，191 464個節(jié)點。

圖2　數(shù)值模型

根據(jù)相關測試數(shù)據(jù)，模型煤巖層物理力學參數(shù)取值見表2，計算模型材料采用Mohr-coulomb彈塑性本構模型。該模型周圍各邊界均采用水平位移約束，底部采用固定位移約束。現(xiàn)場實測原巖水平主應力為20.8 MPa，側壓力系數(shù)為1.65，相應的垂直向主應力為12.6 MPa。

表2　模型煤巖層的物理力學參數(shù)

2.2　巷道開挖方案

由于井底車場巷道群布置的特殊性，巷道群施工一般是并行開挖，開挖順序不同，將引起圍巖應力場和位移場產生較大差異。本研究設計了3種巷道開挖方案：方案Ⅰ為軌道巷→膠帶機巷→回風巷，方案Ⅱ為膠帶機巷→軌道巷→回風巷，方案Ⅲ為軌道巷→回風巷→膠帶機巷。

2.3　方案數(shù)值模擬分析

2.3.1巷道應力分布特征

巷道群開挖會引起圍巖應力重分布，導致周圍巖體發(fā)生變形破壞，應力重分布后的圍巖應力狀態(tài)與圍巖破壞程度和破壞模式密切相關。3種開挖方案對應的巷道垂直應力、水平應力分布特征分別如圖3、圖4所示。通過對比分析圖3、圖4可知：①不同的開挖順序對巷道群的垂直應力、水平應力疊加有一定的影響，但3種開挖順序所引起的各方向應力的大小、分布狀態(tài)和擴散形式基本相同；②垂直應力在巷道群邊墻兩側形成了范圍較大的高值應力區(qū)，在拱頂和底板形成了半環(huán)狀的應力降低區(qū)；③水平應力在巷道頂板和底板較深圍巖內形成了應力集中區(qū)，在巷道近表圍巖內形成了較大范圍的應力降低區(qū)。

圖3　巷道群垂直應力分布特征

2.3.2巷道變形特征

3種開挖方案對應的巷道總位移如圖5所示。由圖5可以看出受巷道開挖擾動的影響，3條巷道出現(xiàn)了不同程度的頂板下沉、底鼓和兩幫收斂等現(xiàn)象，各方案對應的總位移在分布形態(tài)上相差較小。為直觀地反映不同開挖順序對巷道特殊工程部位(頂板、邊墻、底板)的影響，表3給出了3種方案對應的巷道不同部位的位移值。

圖4　巷道群水平應力分布特征

分析圖5、表3可知：①在3種開挖方案中，巷道群最大位移值均出現(xiàn)于膠帶機巷(中間巷道)拱頂和底板中部，其中拱頂處位移值為299.4～328.3 mm，底板處位移值為280.2～339.2 mm；②方案Ⅰ中回風巷、膠帶機巷邊墻變形最小，軌道巷底板和頂拱變形最大，方案Ⅱ中膠帶機巷底板、邊墻變形最大，方案Ⅲ中軌道巷頂拱變形最大，總體上，方案Ⅱ對應的總位移值最大，方案Ⅰ次之，方案Ⅲ最小；③從開挖順序對各巷道的影響來看，各方案中最后開挖的巷道受到的影響最小，對中間巷道(膠帶機巷)的影響最大。

圖5　巷道群總位移

2.3.3塑性破壞區(qū)分布特征

巷道群開挖完畢后，由于應力重分布后二次應力場的不同，圍巖破損區(qū)的破壞程度、破壞范圍和分布特征也有所不同，進而對各部位(底板、頂板、邊墻)圍巖穩(wěn)定性的影響也存在差異。各方案對應的巷道群圍巖塑性破壞區(qū)的分布特征如圖6所示。

通過分析圖6可知：①底板是圍巖破壞范圍最大的部位，方案Ⅱ中膠帶機巷(中間巷道)的破損區(qū)范圍最大，破壞區(qū)直徑達到7.2 m，方案Ⅰ次之，方案Ⅲ中軌道巷的破壞范圍最??；②開挖順序對底板深部圍巖的破壞類型也有影響，方案Ⅰ中，膠帶機巷底板右側深部圍巖的較多單元進入峰后破碎狀態(tài)；方案Ⅲ中，膠帶機巷底板圍巖的部分單元進入剪切屈服破壞階段，很少有單元進入拉破壞階段；③各方案中底板表層圍巖均發(fā)生了不同程度的剪切和拉伸破壞，就底板的破損區(qū)范圍而言，方案Ⅱ>方案Ⅰ>方案Ⅲ。

圖6　巷道群圍巖塑性破壞區(qū)分布特征

進一步分析圖6可知：巷道頂拱的圍巖破壞類型和破壞區(qū)與底板相似，3種方案中，膠帶機巷拱角處圍巖破壞區(qū)范圍大，破壞程度嚴重，而拱中心處的破壞范圍相對較??；兩側拱角和拱中心的圍巖破壞類型與底板類似，巷道頂拱表層圍巖也有拉伸和剪切破壞現(xiàn)象，但范圍較小，就3種方案對應的頂拱圍巖產生的破壞區(qū)域面積而言，方案Ⅲ>方案Ⅰ>方案Ⅱ。巷道邊墻的破損區(qū)遵循由上至下依次減小的規(guī)律，與頂拱交界處的塑性破壞區(qū)范圍最大，與底板交界處的塑性破壞區(qū)最小，破壞區(qū)直徑為4.5～6.8 m。就邊墻的破壞范圍大小而言，方案Ⅱ>方案Ⅰ>方案Ⅲ。

上述分析表明，開挖順序對巷道群圍巖在開挖過程中的穩(wěn)定性具有顯著影響，但巷道總體的應力場、位移場變化較小。但在巷道的特殊部位(底板、頂板、邊墻)，不同的開挖順序在位移值以及塑性破壞區(qū)范圍、破壞程度和破壞類型等方面存在明顯差異，對局部乃至整個工程設計和施工都產生了重大影響。由于巷道群施工過程中存在施工時間緊張、工作空間小等問題，巷道底板往往無法得到及時支護，而頂部和拱肩支護施工較為及時，因此綜合考慮各方面因素，本研究認為方案Ⅲ為最優(yōu)開挖順序。

3　支護方案及實施效果

3.1　支護方案設計

本研究依據(jù)深部巖巷支護理論[14-15]，設計了錨桿、錨索聯(lián)合支護方案。支護施工工序為：①刷擴臥底；②錨網噴，噴射150 mm厚混凝土；③淺孔注漿(幫頂)；④深孔注漿(幫頂)；⑤幫頂采用預應力錨索加固。

3.1.1錨桿支護

根據(jù)該礦前期錨桿支護受力狀況和圍巖特性，采用規(guī)格為φ22 mm×2 800 mm錨桿進行支護，間排距為1 000 mm×1 000 mm(圖7)，配有規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm(長×寬×高)托盤，預應力為50 kN，錨桿抗拔力不小于100 kN，扭矩不小于120 N·m。每孔使用2卷Z2850型樹脂藥卷。鋼筋網規(guī)格為φ6.5 mm，2 300 mm×1 200 mm(長×寬)，網孔規(guī)格150 mm×150 mm，壓茬、搭接長度均為100 mm，用12#鐵絲聯(lián)網。在巷道兩幫墻腳底板往上0.2～0.3 m處各施工1根幫腳錨桿(俯角30°～45°)，起到加固幫腳應力集中區(qū)，阻止圍巖剪切滑移的作用。

圖7　錨桿布置示意

3.1.2幫頂淺孔注漿

注漿管長0.5 m，注漿孔深1 m，排距2.1 m，跟據(jù)巷道斷面尺寸確定間距，膠帶機巷為1.3 m，軌道巷和回風巷為1.5 m(圖8)。每個斷面布置7根注漿管，注漿壓力為1.5 MPa，注漿孔封孔長度為0.3 m。采用7655型或YT-27型風錘造孔，鉆頭直徑為42 mm。

圖8　注漿孔布置示意

3.1.3幫頂深孔注漿

注漿孔長5 m，注漿管長3 m，排距2.1 m，間距膠帶機巷為1.3 m，軌道巷和回風巷為1.5 m(圖8)。每個斷面共布置10根深孔注漿管(幫頂共8根，底板2根)，注漿壓力大于4.0 MPa，注漿孔封孔長度為0.5 m。鉆眼可采用MQT系列錨桿鉆機施工，鉆頭直徑為42 mm。

3.1.4錨索支護

錨索材質為低松弛鋼絞線，規(guī)格為φ21.8 mm×6 300 mm，排距2.1 m，間距大斷面為2.3 m，小斷面為1.9 m(圖9)。每個斷面布置5根錨索，配合規(guī)格為400 mm×400 mm×15 mm(長×寬×高)大托盤安裝，預緊力為150 kN，抗拔力不低于350 kN。每孔使用4卷Z2850型樹脂藥卷。錨索眼打齊后，裝入樹脂藥卷，插入錨索線，送錨索線時應注意輕送，防止藥卷破裂，藥卷送入眼底后安裝錨索攪拌器，開動錨索機攪拌，攪拌速度應由慢到快，時間不少于50 s(藥卷送入孔底后攪拌時間不宜小于15 s)，卸下鉆機，0.5 h后起用墊板及鎖具，最后用手動(電動)油泵配合YCD卡式千斤頂張拉錨索，預緊力為150 kN[16-17]。

圖9　錨索布置示意

3.2　巷道支護效果

支護方案實施后，膠帶機巷圍巖表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。分析圖10可知：巷道圍巖變形速率均控制在0.1 mm/d以下，水平收斂量、拱頂下沉量和底鼓量變化均趨于穩(wěn)定，表明本研究所提出的錨桿、錨索聯(lián)合支護方案對于巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果較理想。

4　結　語

為對安徽潘二礦東二采區(qū)膠帶機巷圍巖穩(wěn)定性進行有效控制，對該礦東二采區(qū)井底車場巷道群在不同開挖順序下的圍巖應力場、位移場及塑性破壞區(qū)的分布特征進行了數(shù)值模擬分析，優(yōu)選出了最佳開挖順序。在此基礎上，設計了錨桿、錨索聯(lián)合支護方案，通過選取合理的支護參數(shù)，有效控制了巷道圍巖變形，對于類似礦山巷道支護方案設計有一定的借鑒價值。

圖10　膠帶機巷表面位移變化特征

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