大斷面巷道圍巖變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

趙 燚，王 路，王志誠

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司 陜西 榆林 719000)

0 引言

了解巷道圍巖在掘進(jìn)過程中受力情況，掌握巷道圍巖變形破壞規(guī)律，分析圍巖與支護(hù)體相互作用，是進(jìn)行煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵前提[1]。大斷面巷道存在圍巖變形量大、支護(hù)困難的問題，給礦井掘進(jìn)產(chǎn)生了巨大影響[2-4]。

在大斷面巷道圍巖變形機(jī)理和支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方面國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，郭志飚等[5]分析了在構(gòu)造應(yīng)力作用下圍巖與支護(hù)體的相互作用關(guān)系，闡述了構(gòu)造應(yīng)力作用下軟巖巷道的變形破壞過程；崔英達(dá)等[6]分析了預(yù)應(yīng)力的作用機(jī)理和對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響；康紅普等[7]深入剖析錨桿支護(hù)的受力作用機(jī)制，提出了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論；王金華[8]對(duì)不同影響因素下全煤巷道圍巖的受力與變形特征進(jìn)行了研究，得出了一系列圍巖應(yīng)力分布與影響因素之間的關(guān)系，認(rèn)為錨桿與錨索預(yù)緊力應(yīng)該形成相互連接與疊加的壓應(yīng)力區(qū)。

文中以曹家灘煤礦122108主運(yùn)順槽為背景，首先采用理論分析的方法分析了巷道圍巖的變形破壞機(jī)制，然后通過數(shù)值模擬分析巷道掘進(jìn)過程中的應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定了“錨桿+錨索+塑鋼網(wǎng)+鋼筋網(wǎng)”的支護(hù)方式。

1 工程概況

122108工作面主運(yùn)順槽位于2-2煤12盤區(qū)，開口坐標(biāo)為：X=4 276 469.582，Y= 37 403 048.477，方位角為46°30′00″。工作面西部是為整個(gè)礦井服務(wù)的4條大巷，東臨井田邊界煤柱，南部為122110工作面(設(shè)計(jì))，北部是正在回采的122106工作面。煤層厚度平均10.25 m，傾角小于1°，水平層理，節(jié)理不發(fā)育。絕對(duì)瓦斯涌出量1.17 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量0.785 m3/t，屬于Ⅰ類容易自燃煤層。工作面2 500 m處發(fā)現(xiàn)DF2正斷層H=0～4 m，∠72°，無巖漿巖、陷落柱及大的褶皺構(gòu)造，煤層沿走向或傾向方向雖有小型起伏，但對(duì)巷道施工影響不大。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor condition of coal seam

2 巷道圍巖變形破壞機(jī)理

2.1 巷道圍巖變形破壞力學(xué)機(jī)理

根據(jù)平面應(yīng)變理論，巷道掘進(jìn)后巖體中某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可以采用莫爾應(yīng)力圓來進(jìn)行描述，如圖1所示，圖中直線τ=σtanφ+C為巖石破裂線。在巷道開挖前，煤體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)破裂線與莫爾應(yīng)力圓處于相離狀態(tài)(a曲線)；巷道掘進(jìn)時(shí)，圍巖應(yīng)力值降低，莫爾應(yīng)力圓向左移動(dòng)，當(dāng)破裂線與莫爾應(yīng)力圓相切時(shí)，巖體處于剪切破壞的極限平衡狀態(tài)(b曲線)；巷道掘進(jìn)以后，巷道淺部圍巖最小主應(yīng)力σ3=0，巖體發(fā)生塑性破壞(c曲線)。

圖1 巷道掘進(jìn)前后莫爾應(yīng)力圓變化Fig.1 Change of Moore stress circle before and after roadway excavation

2.2 巷道變形破壞區(qū)域劃分

巷道掘進(jìn)后，巷道圍巖三向應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，原巖應(yīng)力重新進(jìn)行分布(徑向應(yīng)力σr減小，切向應(yīng)力σt增加)，當(dāng)巷道圍巖應(yīng)力集中程度超過圍巖強(qiáng)度極限時(shí)，巷道圍巖就會(huì)發(fā)生變形破壞。根據(jù)極限平衡理論，按照應(yīng)力狀態(tài)的不同可將圍巖劃分為塑性區(qū)(A+B)、彈性區(qū)(C)、原巖應(yīng)力區(qū)(D)，如圖2所示。其中塑性區(qū)內(nèi)圈(A)的變形破壞最為嚴(yán)重，圍巖強(qiáng)度降低幅度最大，遠(yuǎn)低于原巖應(yīng)力γH，圍巖發(fā)生變形和破壞的區(qū)域成為卸載和應(yīng)力降低區(qū)；塑性區(qū)外圈(B)的應(yīng)力高于原始應(yīng)力，它與彈性區(qū)內(nèi)應(yīng)力增高部分均為承載區(qū)(應(yīng)力增高區(qū))；圍巖深部為未受影響的原巖應(yīng)力區(qū)域。

圖2 圓形巷道圍巖塑性變形區(qū)域劃分及應(yīng)力分布Fig.2 Plastic deformation area division and stress distribution of surrounding rock in circular roadway

在巷道掘進(jìn)過程中破裂線與莫爾應(yīng)力圓的相交，巖石發(fā)生變形破壞。錨桿支護(hù)可以使錨桿和錨固區(qū)域的破碎巖體相互作用形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)，提高錨固巖體的力學(xué)參數(shù)，改善被錨固巖體的力學(xué)性能，使破碎圍巖的峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度得到強(qiáng)化。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，錨桿數(shù)量并不是越多越好，選擇合適的錨桿支護(hù)參數(shù)才是進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

為了全面、系統(tǒng)地反映大斷面巷道在掘進(jìn)過程中的巷道圍巖變形破壞規(guī)律，以曹家灘煤礦122108主運(yùn)順槽工程地質(zhì)條件和綜合柱狀圖為背景，建立FLAC3D三維計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬122108主運(yùn)順槽在掘進(jìn)過程中圍巖應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)的變形情況，為巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

數(shù)值模型以122108主運(yùn)順槽綜合地質(zhì)柱狀圖和巷道斷面圖為基礎(chǔ)，并對(duì)復(fù)雜條件進(jìn)行適當(dāng)簡化。數(shù)值分析模型沿走向長40 m，沿傾向?qū)?00 m，高度為51 m。三維模型共劃分有1 296 000個(gè)單元，1 337 543個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖3為FLAC3D模擬網(wǎng)格圖。

圖3 FLAC3D模擬網(wǎng)格Fig.3 FLAC3D simulation grid

為了實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)際吻合，模型上方巖層產(chǎn)生的壓力按靜水壓力大小在模型上邊界施加均布載荷。在模型的頂端施加等效的載荷，即將自重力按下式得到

σv=γH

(1)

式中,γ為覆巖的體積力，25 kN/m3；H為模型頂端距地表的深度，m。

在本次模擬中，模型上部巖層埋深為300 m，重力加速度取10 m/s2，故在模型上邊界施加7.5 MPa的等效垂直應(yīng)力載荷。對(duì)于模型計(jì)算邊界條件，首先將模型的四周各邊界各施加水平約束，即四周邊界的水平位移為0；然后再將模型的底部邊界固定，即底部的邊界水平、垂直位移都為0；最后將模型的頂部設(shè)為自由邊界。

3.2 模型計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場取樣和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)載荷達(dá)到強(qiáng)度極限后，巖體產(chǎn)生破壞，在峰后塑性流動(dòng)過程中，巖體殘余強(qiáng)度隨著變形發(fā)展逐步減小。因此，計(jì)算中采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，見式(2)；采用應(yīng)變軟化模型以反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強(qiáng)度逐步降低的性質(zhì)。

(2)

式中，σ1，σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c，φ分別是粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs>0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強(qiáng)度很低，因此可根據(jù)抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的煤巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，考慮到煤巖體的尺度效應(yīng)，模擬計(jì)算采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤巖體在開挖前處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，巷道開挖破壞了原巖應(yīng)力的平衡，使巷道周圍的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，在巷道圍巖一定范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)該集中應(yīng)力達(dá)到一定的值，便會(huì)使巷道周圍圍巖產(chǎn)生變形破壞。

3.3.1 巷道圍巖應(yīng)力場分析

巷道開挖和工作面回采引起圍巖應(yīng)力場發(fā)生變化，局部應(yīng)力集中使得巷道發(fā)生變形破壞，主應(yīng)力分布規(guī)律可以綜合反映巷道垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力分布狀態(tài)，能夠更好地揭示巖體變形破壞的力學(xué)本質(zhì)。圖4為122108主運(yùn)順掘進(jìn)期間主應(yīng)力分布云圖，由圖4(a)最大主應(yīng)力分布云圖可以看出在掘進(jìn)期間巷道兩底角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，峰值應(yīng)力為15.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.05；巷道頂?shù)装搴蛢蓭?.5 m范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)一些輕微的變形破壞，圍巖應(yīng)力釋放，高應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移。由圖4(b)最小主應(yīng)力分布云圖可以看出，巷道周圍1 m范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)了一定程度的變形破壞，圍巖應(yīng)力降低，破壞范圍和破壞深度基本與最大主應(yīng)力云圖中變化一致。因此可知，在進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)淺部1 m范圍內(nèi)圍巖的支護(hù)。

圖4 122108主運(yùn)順掘進(jìn)期間主應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of principal stress during driving of 122108 main haulage roadway

3.3.2 巷道圍巖位移場分析

圖5為122108主運(yùn)順掘進(jìn)期間位移分布云圖，由圖(a)垂直位移分布云圖可知，在掘進(jìn)期間巷道頂板變形破壞呈“鍋蓋”式變化，巷道中心線處變形破壞范圍最大，向兩幫延長線上變形量逐漸降低，淺部變形范圍大，深部變形范圍小，頂板最大下沉量為23 mm，底板最大鼓出量為5 mm。由圖(b)水平位移分布云圖可知，在掘進(jìn)期間巷道兩幫變形整體呈“蝶翅”狀變化，在兩幫中心線處變形量最大，沿兩邊逐漸減小，兩幫最大變形量為18.7 mm。

圖5 122108主運(yùn)順掘進(jìn)期間位移分布Fig.5 Displacement distribution during driving of 122108 main haulage roadway

圖6為122108主運(yùn)順槽掘進(jìn)期間塑性區(qū)分布云圖，由圖可知，在掘進(jìn)過程中巷道圍巖的主要破壞形式為剪切破壞，頂板的最大破壞深度為3 m，兩幫的最大破壞深度為15 m，底板的最大破壞深度為0.5 m。

圖6 122108主運(yùn)順掘進(jìn)期間塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone during driving of 122108 main haulage roadway

綜上可知，在掘進(jìn)過程中，巷道兩底角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，峰值應(yīng)力為15.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.05；巷道頂板最大下沉量為23 mm，底板最大鼓出量為5 mm。兩幫最大變形量為18.7 mm，圍巖破壞形式主要是剪切破壞，頂板最大破壞深度為3 m，兩幫最大破壞深度為15 m，底板最大破壞深度為0.5 m。在進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)巷道兩底角和淺部破碎圍巖的支護(hù)。

4 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)理論依據(jù)

根據(jù)巷道圍巖深基點(diǎn)位移監(jiān)測、圍巖鉆孔窺視、巷道表面位移等現(xiàn)場實(shí)測大斷面巷道圍巖破壞特征分析，確定巷道圍巖最大破壞深度，結(jié)合懸吊理論進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算過程如下所示。

錨桿錨索長度設(shè)計(jì)支護(hù)應(yīng)滿足:

L≥L1+L2+L3

(1)

式中，L為錨桿索總長度，m；L1為錨桿索外露長度(包括鋼帶、托板、螺母或鎖具厚度)，m；L2為有效長度，m；L3為錨入巖(煤)層內(nèi)深度，m。

錨桿錨索支護(hù)密度應(yīng)滿足：

n≥kγaL2/G

(2)

式中，n為每米巷道錨桿索數(shù)量，根/m；k為安全系數(shù)，取1.2或1.5；γ為巖體容重，取25 kN/m3；a為巷道跨度，取5.4 m；L2為有效長度，m;G為錨桿索設(shè)計(jì)錨固力，kN/根。

4.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

4.2.1 煤柱幫支護(hù)：螺紋鋼錨桿+鋼筋網(wǎng)

錨桿采用規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm的BHRB335號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排4根錨桿，最上部錨桿距頂板300 mm，帶15°上仰角施工，其余錨桿垂直巖面施工，錨桿孔深2 150 mm。每根錨桿采用1支MSK2380型樹脂藥卷錨固，預(yù)緊力要求不小于120 N·m，錨固力不小于10 t。錨桿托盤選用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm蝶形鐵托盤。鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3 800 mm×1 100 mm的電弧焊鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑為5 mm，網(wǎng)格尺寸100 mm×100 mm，與頂網(wǎng)搭接寬度100 mm，幫網(wǎng)與幫網(wǎng)搭接寬度100 mm。

4.2.2 回采幫支護(hù)：玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)

錨桿采用規(guī)格為φ22 mm×2 400 mm的GQN60型高強(qiáng)抗扭玻璃鋼錨桿及配套塔型托盤螺母，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排4根錨桿，最上部錨桿距頂板300 mm，帶15°上仰角施工，其余錨桿垂直巖面施工，錨桿孔深2 300 mm。每根錨桿采用1支MSK2380型樹脂藥卷錨固，預(yù)緊力要求不小于50 N·m，錨固力不小于10 t。網(wǎng)片選用塑鋼網(wǎng)，規(guī)格為3 800 mm×2 100 mm，豎向鋪網(wǎng)，幫網(wǎng)與頂網(wǎng)搭接寬度100 mm，幫網(wǎng)與幫網(wǎng)的搭接寬度為100 mm。幫部塑鋼網(wǎng)內(nèi)不含有鋼絲，網(wǎng)孔的規(guī)格為50 mm×50 mm。

4.2.3 頂板支護(hù)：錨桿+錨索+塑鋼網(wǎng)

錨桿支護(hù)：頂板采用規(guī)格為φ22 mm×2 600 mm的BHRB335號(hào)左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 200 mm×1 000 mm，每排6根錨桿，最外側(cè)錨桿距幫部250 mm，帶15°外扎角施工，中間4根錨桿垂直頂板施工，錨桿孔深2 550 mm。每根錨桿采用1支MSK2380型樹脂藥卷錨固，預(yù)緊力要求不小于200 N·m，錨固力不小于10 t。錨桿托盤選用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的拱型高強(qiáng)度托盤。

錨索支護(hù)：頂板每排布置2根錨索，采用規(guī)格為φ17.8 mm×6 250 mm的鋼絞線，錨索孔的孔深為6 000 mm。錨索間排距為2 400 mm×3 000 mm，均垂直巖面施工。每根錨索采用2支MSK2380型樹脂藥卷，錨索預(yù)緊力14 t，錨固力不小于24 t。錨索托盤規(guī)格為250 mm×250 mm×20 mm的高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板。

網(wǎng)片：掘錨一體機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪網(wǎng)，頂部網(wǎng)片為整體護(hù)表的塑鋼網(wǎng)，塑鋼網(wǎng)為內(nèi)含4根細(xì)鋼絲的抗撕裂高強(qiáng)網(wǎng)片，單根絲的破斷強(qiáng)度為4 kN，其規(guī)格為長15 m，寬3.2 m，網(wǎng)孔為方形孔，規(guī)格為50 mm×50 mm。巷道支護(hù)斷面圖如圖7所示。

圖7 122108主運(yùn)順槽巷道支護(hù)斷面Fig.7 Support section of 122108 main haulage roadway

5 結(jié)論

(1)通過理論分析，闡述了巷道圍巖變形破壞機(jī)理和掘進(jìn)后巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)和區(qū)域劃分形式，明確了巷道支護(hù)區(qū)域(塑性區(qū)內(nèi)圈破碎巖體)。

(2)采用數(shù)值模擬的方法分析巷道圍巖的變形破壞情況，在掘進(jìn)過程中，巷道兩底角處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，峰值應(yīng)力為15.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.05；巷道頂板最大下沉量為23 mm，底板最大鼓出量為5 mm。兩幫最大變形量為18.7 mm，圍巖破壞形式主要是剪切破壞，頂板最大破壞深度為3 m，兩幫最大破壞深度為15 m，底板最大破壞深度為0.5 m。

(3)通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬確定的巷道支護(hù)方案為：頂板支護(hù)采用“錨桿+錨索+塑鋼網(wǎng)”的支護(hù)方式，錨桿間排距為1 200 mm×1 000 mm，每排6根錨桿，錨索長度為6 000 mm，間排距為2 400 mm×3 000 mm，每排2根；煤柱幫支護(hù)采用“螺紋鋼錨桿+鋼筋網(wǎng)”支護(hù)方式，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排4根錨桿；回采幫采用玻璃鋼錨桿+塑鋼網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排4根錨桿。