軟弱黏巷道穩(wěn)定性支護(hù)優(yōu)化研究

郝 龍

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 山西 太原 030053）

引言

軟弱巖石中開(kāi)挖巷道以及支護(hù)長(zhǎng)久以來(lái)都是非常棘手的問(wèn)題，當(dāng)前國(guó)內(nèi)在該方向還不能完全解決問(wèn)題。同時(shí)國(guó)內(nèi)現(xiàn)在中西部開(kāi)采力度在不斷加大，由地質(zhì)勘查資料表明，中西部地區(qū)例如在內(nèi)蒙古以及新疆等地區(qū)，大部分礦區(qū)的煤層首采層是侏羅紀(jì)煤層，即表土層基本屬于第三系、第四系，厚度基本都小于100 m；表土層之下大多數(shù)是厚度比較大的白堊系軟巖地層或者侏羅系地層，富含細(xì)砂巖、砂巖、泥巖等巖石力學(xué)特性不高的軟弱巖石。中西部特殊巖石沉積過(guò)程和成巖環(huán)境，讓巖石表現(xiàn)出和東部軟巖較大的區(qū)別，例如巖石強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、易崩解等，遇水極易軟化成為泥狀，給巷道開(kāi)挖和支護(hù)帶來(lái)極大困擾。本文通過(guò)以?xún)?nèi)蒙古孫家壕煤礦這種特殊巷道圍巖為研究案例，探討在軟弱黏圍巖巷道中的支護(hù)優(yōu)化研究。

1 工程背景

內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾鎮(zhèn)孫家壕煤礦主要處于第四系松散層下，該礦出現(xiàn)明顯的垂直節(jié)理發(fā)育、黃土固結(jié)性差的特征。煤層位于礦區(qū)東部出現(xiàn)一定風(fēng)化現(xiàn)象。風(fēng)化帶內(nèi)出現(xiàn)圍巖破碎、遇水膠結(jié)、煤裂隙發(fā)育狀況。孫家壕煤礦開(kāi)采6 號(hào)煤層是使用金屬支架和煤柱聯(lián)合支護(hù)法，出現(xiàn)冒頂和片幫現(xiàn)象。因此對(duì)于9 號(hào)煤層的開(kāi)采，需要對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行重新考慮設(shè)計(jì)，最大程度保障安全生產(chǎn)[1-2]。

內(nèi)蒙古孫家壕煤礦9 號(hào)煤層埋深平均是231.38m，該煤層頂板巖層未砂巖、砂質(zhì)泥巖以及泥巖等，同時(shí)底板主要是細(xì)砂巖和泥巖等，還有少量的碳質(zhì)泥巖和粘土巖，抗壓強(qiáng)度在10.9～47.1 MPa，9 號(hào)煤層發(fā)育較為穩(wěn)定，周邊巖層為低強(qiáng)度巖層，煤層厚度2.04～10.69 m，平均 4.1 m，含夾矸 0～7 層，平均 4層，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。

2 巖體力學(xué)參數(shù)確定

根據(jù)《內(nèi)蒙古孫家壕煤礦地質(zhì)報(bào)告》、《內(nèi)蒙古孫家壕資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告》及鉆孔資料，獲得了9 號(hào)煤層頂?shù)装宓膸r體節(jié)理裂隙密度和平均間距，如表1所示。

表1 巖體節(jié)理裂隙密度和平均間距

在9 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r層中由GSI 強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，由GSI 評(píng)價(jià)結(jié)果，通過(guò)Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則可推出巖體的參數(shù)，最后的轉(zhuǎn)化參數(shù)如表2 所示。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

由于該煤礦回風(fēng)巷道斷面是矩形，巷道斷面尺寸跨度和高度分別是5 m 和4 m，取模型巷道左右邊界為實(shí)際巷道寬的4 倍，頂部為巷道高的4 倍，底部為巷道高的3 倍，建立計(jì)算模型x 方向長(zhǎng)度為50 m，y 方向長(zhǎng)度為20 m，z 方向長(zhǎng)度為30 m，即模型的大小長(zhǎng)×寬×高（x×y×z）=50 m×20 m×30 m。模型一共51 120 個(gè)單元，56 175 個(gè)節(jié)點(diǎn)。大巷周?chē)^固范圍進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，模型如圖1 所示。

表2 主要巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖1 回風(fēng)大巷模擬模型圖

圖1 為本次回風(fēng)大巷未支護(hù)時(shí)的模型，從上到下共計(jì)分為6 層，依次為砂巖、砂質(zhì)泥巖、頂板泥巖、煤、底板泥巖、細(xì)砂巖。同時(shí)本次模擬對(duì)大巷左右5 m、頂板上方10 m、下方8 m 位置開(kāi)展網(wǎng)格加密處理，頂?shù)装宥际悄鄮r，回風(fēng)大巷處于煤層中。未支護(hù)時(shí)回風(fēng)大巷垂直位移云圖及塑性區(qū)如圖2 所示。

3.2 支護(hù)方案的確定

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及巷道未支護(hù)變形的實(shí)際情況，支護(hù)方案初步確定為錨網(wǎng)索。具體支護(hù)方案如表3 所示。

3.3 支護(hù)效果及支護(hù)方案選擇

3.3.1 方案一支護(hù)下大巷變形特征

全錨桿支護(hù)下的垂直方向位移云圖，回風(fēng)巷道頂板下沉最大4.08 cm，底板底鼓最大值是1.5 cm，回風(fēng)巷道在方案一即全錨桿支護(hù)下頂板下沉較大，支護(hù)效果不理想。

圖2 未支護(hù)時(shí)回風(fēng)大巷垂直位移云圖及塑性區(qū)

表3 三種不同的支護(hù)方案

由塑性區(qū)圖3 可知，巷道兩幫破壞范圍在1～2m，兩幫破壞十分嚴(yán)重。頂板破壞范圍為0.5～1.5 m，底板破壞范圍為0.5～1 m。

圖3 方案一支護(hù)下回風(fēng)大巷垂直位移云圖及塑性區(qū)

3.3.2 方案二支護(hù)下大巷變形特征

方案二為全錨索網(wǎng)支護(hù)，根據(jù)圖4 可知頂板下沉量最大是3.16 cm，底板底鼓量最大是1.6 cm，頂?shù)装逦灰品秶謩e是4.5 m 和3 m，頂?shù)装逶诜桨付ёo(hù)中破壞情況較小。

由塑性區(qū)圖4 可知，相比較于方案一，方案二支護(hù)下巷道頂?shù)装迤茐姆秶兴档停敯逡约暗装迤茐姆秶鶠?.5～1 m，兩幫也均有著1.5 m 的破壞范圍。塑性區(qū)在方案二支護(hù)下有所縮小，提升了支護(hù)效果。

圖4 方案二支護(hù)下回風(fēng)大巷垂直位移云圖及塑性區(qū)

3.3.3 方案三支護(hù)下大巷變形特征

由圖5 可知回風(fēng)大巷在方案三支護(hù)下，頂板下沉量范圍是2.5～2.8 cm，底板底鼓量0.5～1.47 cm，頂板和底板受到影響范圍分別是4 m 和3.5 m，頂?shù)装逶诜桨溉ёo(hù)下移動(dòng)量獲得有效控制。

圖5 方案三支護(hù)下回風(fēng)大巷垂直位移云圖及塑性區(qū)

由塑性區(qū)圖可知，相比較于方案二塑性區(qū)有所減小，破壞范圍僅為0.5～1 m，回風(fēng)大巷兩幫有著較為一致的破壞范圍，范圍在1.5 m 左右。

3.3.4 支護(hù)方案選擇

回風(fēng)大巷使用方案一支護(hù)時(shí)，不論是兩幫還是頂?shù)装寰兄^大的位移量，巷道從整體上有著較大的破壞難以保證生產(chǎn)；回風(fēng)大巷使用方案二支護(hù)時(shí)，巷道兩幫和頂?shù)装寰玫搅溯^為有效的控制；在方案二的基礎(chǔ)上，方案三讓錨桿預(yù)緊力以及直徑增加，取得的支護(hù)效果要優(yōu)于方案二。此外對(duì)錨桿直徑的增加不會(huì)帶來(lái)成本的大量增長(zhǎng)，所以通過(guò)對(duì)比選擇方案三進(jìn)行支護(hù)。

4 工程應(yīng)用

對(duì)支護(hù)方案三開(kāi)展工業(yè)性試驗(yàn)，將2 個(gè)綜合監(jiān)測(cè)站布置在9 號(hào)煤層回風(fēng)大巷中開(kāi)展巷道位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)周期定為兩月，巷道兩幫及頂?shù)装逦灰谱兓€(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 1 號(hào)監(jiān)測(cè)站及2 號(hào)監(jiān)測(cè)站頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟?/p>

對(duì)2 個(gè)綜合監(jiān)測(cè)站收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，回風(fēng)巷道頂?shù)装遄冃瘟糠謩e是34 mm、28 mm，巷道兩幫有35 mm 的變形量，在數(shù)值上和前文模擬結(jié)果較為接近，同時(shí)變形量不超過(guò)斷面尺寸的1%，能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求，這就說(shuō)明方案三即錨桿錨索金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)有著良好的支護(hù)作用[3-5]。

5 結(jié)論

依托內(nèi)蒙古孫家壕煤礦，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)兩者結(jié)合的辦法進(jìn)行研究，通過(guò)FLAC3D 數(shù)值模擬軟件分別對(duì)開(kāi)挖和支護(hù)模型開(kāi)展模擬，選擇方案三即錨索網(wǎng)支護(hù)并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用及監(jiān)測(cè)，獲得良好支護(hù)結(jié)果，對(duì)本文研究的軟弱黏圍巖下巷道支護(hù)有著一定的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于豐富軟巖支護(hù)也有一定的價(jià)值。