高應(yīng)力軟巖條件下巷道圍巖控制技術(shù)研究

張 磊 趙云凱

（1.潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102； 2.長(zhǎng)治紅山煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046102）

軟巖巷道的有效支護(hù)一直是一個(gè)難題[1]，巷道開(kāi)挖后，巷道會(huì)產(chǎn)生流變性，巷道圍巖穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng)，從而增加了巷道圍巖的支護(hù)難度[2-3]。常村礦2206 工作面運(yùn)輸平巷在原支護(hù)設(shè)計(jì)方案下，巷道的支護(hù)效果不理想，巷道變形嚴(yán)重，穩(wěn)定性很差，每過(guò)兩個(gè)月需返修一次，影響礦井的正常生產(chǎn)。因此決定對(duì)巷道原支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析、優(yōu)化，通過(guò)數(shù)值模擬比較兩種支護(hù)參數(shù)，最后進(jìn)行工程應(yīng)用。

1 概況

常村煤礦2206 綜放工作面主要開(kāi)采山西組3#煤層。3#煤層平均厚度為6m，平均傾角為4°，為近水平煤層，平均埋深為470m。直接頂為泥巖，灰黑色，石英為主，長(zhǎng)石次之，平均厚度為1.65m；基本頂為細(xì)砂巖，灰黑色，平均厚度為9m；底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝，工作面平均采高3m，放煤高度3m，采放比為1 ∶1，采用全部垮落法管理頂板。該礦2206 工作面運(yùn)輸平巷巷道斷面為矩形，巷道寬4.5m，高3.2m，采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)方式。如圖1 所示。

2206 運(yùn)輸平巷掘進(jìn)過(guò)程中，巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，主要體現(xiàn)在2 個(gè)頂角處、兩幫的下端和未支護(hù)的底板。輔助回風(fēng)巷是矩形巷道，在2 個(gè)頂角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致頂角破壞，頂板穩(wěn)定性差，局部出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，錨桿錨索失效。巷道煤柱幫由于受上區(qū)段采動(dòng)及本區(qū)段掘進(jìn)影響，變形量大，部分區(qū)域出現(xiàn)片幫。

2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

為控制巷道圍巖變形，應(yīng)在優(yōu)化支護(hù)方案中將重點(diǎn)放在2 個(gè)頂角處，同時(shí)兼顧頂板中部和兩幫。優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)將錨索偏向兩個(gè)頂角處，采用加強(qiáng)錨索進(jìn)行支護(hù)，頂板采用支護(hù)效果更好的螺紋鋼錨桿支護(hù)。兩幫應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度和密度，煤柱幫采用螺紋鋼錨桿支護(hù)，同時(shí)兩幫處的底腳錨桿向下可有一定角度，用來(lái)防止底鼓。

圖1 2206 運(yùn)輸平巷原支護(hù)

優(yōu)化后的巷道支護(hù)，頂板采用加強(qiáng)錨索、螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，兩幫增加了錨桿的長(zhǎng)度、強(qiáng)度和密度，如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后巷道斷面圖

頂板支護(hù)：錨桿選用Φ20mm×2600mm 的左旋螺紋鋼錨桿，外側(cè)的2 根錨桿傾斜10°，其余四根錨桿垂直頂板布置，每根頂錨桿采用兩支MSCK2350 樹(shù)脂錨固劑。托板規(guī)格為150×150×10mm 托 板。錨 索 材 料 為Φ20mm，1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，延伸率7%，鉆孔直徑Φ30mm，錨索規(guī)格為Φ20-1-6800mm；錨索托板采用300×300×16mm，高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。錨索錨固正常采用三支MSZ2350 樹(shù)脂藥卷錨固，錨索孔流水成線時(shí)采用四支MSZ2350樹(shù)脂藥卷錨固。

幫部支護(hù)：螺紋鋼錨桿規(guī)格為Φ20×2600mm，錨桿配件為半圓式打眼鋼托板（Φ160×400mm）、碟形托盤(pán)（150mm×150mm×8mm）、螺母。螺紋鋼幫錨桿上下幫往外側(cè)傾斜10°，中間兩根錨桿垂直煤墻打設(shè)，采用一支MSZ2350 中速樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固，鉆孔直徑為Φ22mm，扭矩為50N?m。

3 數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立彈塑性材料模型。運(yùn)用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞[4]。模型長(zhǎng)度取70m，寬度取30m，高度取40m。計(jì)算過(guò)程中限制模型側(cè)面水平位移、底邊垂直位移，模型頂部施加10.75MPa荷載，代替模型上覆巖層自重。所需要模擬的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1 所示。

表1 煤巖層及其力學(xué)參數(shù)

3.1 圍巖垂直應(yīng)力分布

圖3 垂直應(yīng)力圖

如圖3 所示，對(duì)比巷道頂板中部最小垂直應(yīng)力，原支護(hù)為0.15MPa，優(yōu)化后為0.18MPa，說(shuō)明采用螺紋鋼錨桿使破碎頂板承載力增強(qiáng)，改善了應(yīng)力環(huán)境。對(duì)比巷道幫部垂直應(yīng)力，原支護(hù)距離巷道幫部2.25m 處應(yīng)力集中最大值為20.56MPa，優(yōu)化后距離巷道幫部1.82m 處應(yīng)力集中最大值為20.72MPa，說(shuō)明巷道支護(hù)優(yōu)化后幫部應(yīng)力集中最大值雖增加了0.16MPa，但應(yīng)力集中最大值距離巷幫的距離減少了0.43m。

3.2 圍巖水平應(yīng)力分布

對(duì)比巷道2 個(gè)頂角的水平應(yīng)力，原支護(hù)為5.25MPa，優(yōu)化后為5.30MPa，改善了巷道頂角的應(yīng)力環(huán)境。對(duì)比巷道幫部應(yīng)力降低區(qū)范圍，原支護(hù)為0.87m，優(yōu)化后為0.75m，說(shuō)明幫部增加錨桿密度和支護(hù)強(qiáng)度可減少應(yīng)力降低區(qū)范圍。

3.3 圍巖塑性區(qū)分布

巷道圍巖破壞以剪切破壞為主，通過(guò)對(duì)比原支護(hù)與優(yōu)化后支護(hù)，可發(fā)現(xiàn)原支護(hù)破壞范圍比優(yōu)化后大。對(duì)比頂板塑性區(qū)范圍，優(yōu)化后加長(zhǎng)的頂板錨桿使淺部圍巖整體性增強(qiáng)，兩個(gè)頂角錨桿錨固在穩(wěn)定巖層中，提高了頂角的抗破壞能力；幫錨桿錨固段在塑性區(qū)范圍外，有效控制了巷道圍巖變形。

4 支護(hù)效果觀測(cè)

如圖4 所示，在觀測(cè)期內(nèi)，巷道圍巖的變形可分為三個(gè)階段，第一階段1～20d，圍巖變形速率大；第二階段20～50d，圍巖變形速率減緩；第三階段50d 以后，圍巖變形基本趨于平緩。根據(jù)圖可知，頂?shù)装遄畲笙鲁亮繛?44mm，兩幫內(nèi)移量最大為121mm，說(shuō)明減小錨桿間排距，增加錨桿長(zhǎng)度，采用加強(qiáng)支護(hù)可有效控制巷道圍巖變形。

圖 4 巷道變形與時(shí)間關(guān)系曲線

5 結(jié)論

優(yōu)化巷道的支護(hù)參數(shù)可控制高應(yīng)力軟巖條件下圍巖變形。通過(guò)數(shù)值模擬與原支護(hù)相比較，巷道2個(gè)頂角支護(hù)得到加強(qiáng)，減弱了頂角水平擠壓力，幫錨桿支護(hù)長(zhǎng)度、強(qiáng)度和密度增加使淺部圍巖連成一個(gè)整體，圍巖承載力增強(qiáng)，頂板與幫部聯(lián)合支護(hù)作用使底鼓量減少，工程應(yīng)用取得良好的效果，可為類似礦井提供借鑒。