煤礦大變形軟巖巷道聯(lián)合支護(hù)方案研究

王李強(qiáng)

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電東曲煤礦 ，山西 太原 030000）

1 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

所研究的軟巖巷道圍巖節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。地層整體為一單斜構(gòu)造。走向北西，傾向北東，局部有小型緩波狀褶曲。據(jù)相鄰工作面采掘資料，該面掘進(jìn)范圍內(nèi)共有10條斷層。工作面圍巖節(jié)理發(fā)育，且與巷道走向小角度相交，易引起片幫。軟巖地段均采用的錨噴支護(hù)，個(gè)別地段巷道正頂掛金屬網(wǎng)片，個(gè)別破碎地帶采用可縮性金屬U型鋼支架支護(hù)。對(duì)噴射混凝土和打注的錨桿定期進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)質(zhì)量均達(dá)到要求。但幾天后仍出現(xiàn)大面積暴漿，個(gè)別地段有劈幫現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效益及人員安全。

2 大變形控制支護(hù)方案

工程實(shí)踐表明，對(duì)于深部軟巖巷道工程，無論是新開、還是實(shí)施了多次支護(hù)的翻修工程，其破壞總是從某一個(gè)或幾個(gè)部位開始變形、損傷，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失穩(wěn)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖體及巖層結(jié)構(gòu)面是引起巷道圍巖強(qiáng)度降低、產(chǎn)生非對(duì)稱大變性破壞的主要原因，對(duì)于結(jié)構(gòu)面的控制是非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

巷道圍巖變形破壞過程中首先破壞的部位，稱之為關(guān)鍵部位。關(guān)鍵部位產(chǎn)生的原因是圍巖大變形過程中，由于支護(hù)體與圍巖變形不協(xié)調(diào)而引起的。通過支護(hù)的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化，達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。

針對(duì)巖體破壞的關(guān)鍵部分分布特征，對(duì)巷道頂部和地腳增加了大變形錨索與底角錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，圍巖支護(hù)參數(shù)如圖1所示。

圖1 大變形控制支護(hù)參數(shù)

3 大變形聯(lián)合支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

3.1 模型參數(shù)

利用離散元軟件（3DEC程序）建立三維數(shù)值模型，對(duì)大變形聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析及驗(yàn)證其工程可行性。現(xiàn)場(chǎng)圍巖力學(xué)參數(shù)及錨桿參數(shù)見表1、表2。

表1 力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿參數(shù)

3.2 無支護(hù)巷道變形特征

模型尺寸為20m邊長(zhǎng)的立方體。巷道結(jié)構(gòu)面跡長(zhǎng)、傾向、傾角均符合正態(tài)分布特征，裂隙間距符合負(fù)指數(shù)分布特征，根據(jù)分布函數(shù)建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面參數(shù)，構(gòu)成圖2所示的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型。

圖2 裂隙網(wǎng)絡(luò)模型

圖3 巷道圍巖主要破壞形式

根據(jù)開挖尺寸及裂隙網(wǎng)絡(luò)模型建立含裂隙的巷道模型，巷道開挖后的破壞形式如圖3所示，主要為張拉和剪切破壞，張拉破壞占主導(dǎo)。

在未支護(hù)的巷道中，由自重應(yīng)力引起了巷道頂板巖石塊體脫落，結(jié)構(gòu)面與開挖自由面形成的塊體極不穩(wěn)定，個(gè)別塊體脫落，將會(huì)造成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，影響工程進(jìn)度，危害人員生命安全。隨著巷道開挖深度增加，巷道頂板下沉的累計(jì)變形量超過8cm，如圖4所示，巷道基本破壞，加之有部分塊體脫落，未支護(hù)的巷道將不具備采礦作業(yè)的條件。

圖4 頂板位移累積變化量

3.3 常規(guī)支護(hù)巷道變形特征

常規(guī)支護(hù)方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，采用直徑為22mm的注漿錨桿，長(zhǎng)度3m。錨桿間距800mm，排距1000mm。建立相應(yīng)的錨桿支護(hù)巷道模型，如圖5所示。

圖5 錨桿支護(hù)示意圖

圖6 巷道圍巖破壞形式

錨桿支護(hù)后的巷道圍巖變形有所改善，頂板沒有發(fā)生塊體掉落現(xiàn)象定，但巷道底板仍然出現(xiàn)大變形，該現(xiàn)象仍將破壞巷道已有設(shè)備，增加巷道維護(hù)成本，危害工作人員生命安全。如圖6所示。隨著開挖深度增加，頂板最大下沉量達(dá)逐步增加。最大累積變形量超過1.1cm。巷道仍有破壞的危險(xiǎn)。

圖7 頂板位移累積變化量

3.4 聯(lián)合支護(hù)巷道變形特征

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面分布特征及關(guān)鍵部位破壞特征對(duì)支護(hù)方式進(jìn)行了優(yōu)化，提出注漿錨桿+錨索+底角錨桿聯(lián)合支護(hù)的方法，對(duì)巷道頂?shù)装暹M(jìn)行全斷面支護(hù)。注漿錨桿直徑22mm，長(zhǎng)3m，大變形錨索直徑15.24mm，長(zhǎng)6m，間距均為800mm，排距均為1000mm。底角錨桿直徑48mm，長(zhǎng)3700mm，角度為45°，間距排距與注漿錨桿相同。聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模型如圖8所示。

圖8 巷道聯(lián)合支護(hù)模擬圖

聯(lián)合支護(hù)后的巷道未發(fā)現(xiàn)張拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，巷道可以保持穩(wěn)定。頂?shù)装逡矝]有出現(xiàn)塊體掉落及滑移現(xiàn)象，整體巷道支護(hù)效果良好。根據(jù)巷道頂板位移云圖可以得到巷道開挖支護(hù)后，斷面下沉量小于0.15cm。巷道變形被控制在有效范圍內(nèi)。巷道累積變形量在剛開挖時(shí)有一定增加，但在小于0.15cm時(shí)由于聯(lián)合支護(hù)作用保持穩(wěn)定，沒有持續(xù)增加，巷道變形量被控制在很小的范圍內(nèi)。巷道可以維持長(zhǎng)期穩(wěn)定，為安全作業(yè)提供了良好的環(huán)境。

圖9 聯(lián)合支護(hù)巷道主要破壞形式

圖10 聯(lián)合支護(hù)頂板位移云圖

4 結(jié)論

1）針對(duì)巖體破壞的關(guān)鍵部位分布特征，對(duì)巷道頂部和地腳增加了大變形錨索與底角錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，提出了注漿錨桿+錨索+底角錨桿聯(lián)合支護(hù)的方法。

2）數(shù)值模擬手段可以驗(yàn)證工程施工方案的可行性，離散元模型在考慮巖體結(jié)構(gòu)面信息的前提下更準(zhǔn)確的描述了巖體力學(xué)行為，對(duì)支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。

3）聯(lián)合支護(hù)后的巷道未出現(xiàn)張拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，巷道可以保持穩(wěn)定。巷道累積變形量小于0.15cm，軟巖巷道可以維持長(zhǎng)期穩(wěn)定，為安全作業(yè)提供了良好的環(huán)境。