裂隙發(fā)育區(qū)煤巷高強(qiáng)度低密度支護(hù)技術(shù)研究

趙振偉 王 平 王玉林

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)有限公司）

目前中國大型礦井中80%以上都采用煤巷［1］。由于煤巷的圍巖穩(wěn)定性低于巖巷，需要提高支護(hù)強(qiáng)度［2］，其穩(wěn)定性對巷道快速掘進(jìn)和采掘接替具有重要意義。隨著支護(hù)材料的不斷進(jìn)步，煤巷支護(hù)方式逐漸從被動支護(hù)形式向主動支護(hù)形式發(fā)展，主動支護(hù)方式包括純錨桿支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)、錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)等，統(tǒng)稱為錨桿支護(hù)。以新安煤礦3416材料巷為工程背景，采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測的方法，研究煤巷高強(qiáng)度低密度錨桿支護(hù)技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)巷道的高效率掘進(jìn)。

1 地質(zhì)概況

3416工作面位于34采區(qū)西翼，煤層傾角為3°~12°，平均傾角為9°。工作面北部為34采區(qū)膠帶、軌道下山，東部為DF7斷層和3412工作面采空區(qū)，留設(shè)40 m寬的區(qū)段煤柱，西為未開采區(qū)。3416材料巷布置空間關(guān)系如圖1所示。巷道沿底板掘進(jìn)，留有厚度為1.0 m左右的頂煤，為全煤巷，巷道底板標(biāo)高為-679.8~-565.2 m。根據(jù)相鄰34采區(qū)軌道下山、34采區(qū)膠帶下山、3412工作面等采掘見煤點(diǎn)及附近鉆孔揭露，3416材料巷施工區(qū)段3煤厚度為5.1~6.0 m，平均為5.4 m。煤層堅(jiān)固性系數(shù)（普氏硬度系數(shù)）f=0.83~0.99，煤層結(jié)構(gòu)簡單。3416材料聯(lián)絡(luò)巷、34采區(qū)軌道下山、34采區(qū)膠帶下山等已掘巷道施工過程中，未發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象，預(yù)計(jì)該巷道不受沖擊地壓威脅。

2 圍巖特征及高強(qiáng)度低密度支護(hù)措施

煤巷圍巖穩(wěn)定性對巷道快速掘進(jìn)和采掘接替具有重要意義［3-4］。現(xiàn)有的支護(hù)方案支護(hù)密度大、速度慢，嚴(yán)重制約了掘進(jìn)速度，加劇采掘接續(xù)的緊張程度，所以，提出了3416材料巷高強(qiáng)度低密度支護(hù)方案，該支護(hù)技術(shù)是基于有效承載層厚度的頂板疊加梁理論假說提出的。高預(yù)應(yīng)力錨桿可以對圍巖施加較高的壓力［5-6］，能有效控制巷道圍巖離層、滑動及裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，提高圍巖變形后的物理力學(xué)參數(shù)，保證圍巖的完整性，組成由錨桿和圍巖共同作用的高強(qiáng)承載體。因此，在提高錨桿支護(hù)的預(yù)應(yīng)力后，能夠有效增加圍巖的承載能力，控制巷道圍巖變形。

2.1 圍巖特征

煤系地層是典型的層狀沉積巖層，圍巖條件復(fù)雜，兩幫是強(qiáng)度較低的煤體，頂?shù)装鍦\部圍巖是由力學(xué)性質(zhì)較差的砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)頁巖等組成的直接頂和直接底，頂?shù)咨畈繃鷰r是力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的基本頂和老底，這些巖石的力學(xué)性質(zhì)差別很大，巖層與巖層之間的膠結(jié)比較薄弱，容易產(chǎn)生離層。厚度較大的沉積巖由于其成巖及后生過程中溫度、壓力等因素的不同，同一層沉積巖不同位置也會表現(xiàn)出不同的工程地質(zhì)特性，從而出現(xiàn)層理等結(jié)構(gòu)弱面，導(dǎo)致厚度較大的沉積巖頂板在某種程度上具有煤系地層頂板的工程地質(zhì)特性。

2.2 高強(qiáng)度低密度支護(hù)措施

巷道頂板布置6根?22 mm×2 400 mm細(xì)螺紋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 100 mm，采用2根型號為MSCK2350、直徑為23 mm、每支長度為500 mm的樹脂錨固劑，錨桿預(yù)緊扭矩不小于400 N·m；錨索線采用1×7Φ21.6 mm的低松弛預(yù)應(yīng)力左旋鋼絞線加工制成，頂部錨索線長度為6 300 mm，外露長度不少于250 mm，間排距為1 650 mm×2 200 mm，采用3根型號為MSCK2350、直徑為23 mm、每支長度為500 mm的樹脂錨固劑，錨索預(yù)緊力不低于230 kN。巷道每幫布置5根?20 mm×2 000 mm細(xì)螺紋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿間排距均為800 mm×1 100 mm，幫部錨桿預(yù)緊扭矩不小于300 N·m。

鉆孔垂直施工，鉆孔軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差角度不應(yīng)大于5°，間排距誤差控制在±100 mm，孔距誤差控制在±100 mm，錨桿鉆孔深度誤差控制在0~+300 mm，錨桿外露長度控制在30~50 mm。必須定期對井下錨桿進(jìn)行預(yù)緊力檢測和拉拔試驗(yàn)，錨桿拉拔力不得小于錨桿設(shè)計(jì)的錨固力；最低值不小于設(shè)計(jì)值的90%。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

以新安煤礦3416材料巷為工程背景，建立FLAC3D巷道開挖模型，各巖層厚度根據(jù)鉆孔柱狀圖確定，如圖2所示。模型尺寸為50 m×20 m×50 m（長×寬×高），共劃分31 080個節(jié)點(diǎn)，巷道斷面為矩形，巷道寬度為4.8 m，高度為3.8 m。模型中支護(hù)體系按2.2章節(jié)中要求構(gòu)建。巷旁留設(shè)40 m大煤柱，因此忽略側(cè)向采空區(qū)的影響。采用位移邊界條件，模型四周及底部速度固定為零，上部施加上覆巖重，側(cè)壓系數(shù)取0.8，采用彈性模型平衡，巷道開挖后，采用莫爾-庫侖模型，錨桿錨索支護(hù)采用Cable單元，采用apply tension工具對錨桿索施加預(yù)緊力。在巷道幫中部和頂?shù)装逯胁扛鞑贾?個測點(diǎn)，監(jiān)測巷道表面位移，各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

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3.2 結(jié)果分析

3.2.1 圍巖應(yīng)力分布

巷道開挖后，原巖應(yīng)力受到擾動，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，在巷道兩幫形成支承壓力帶，幫部煤體在此作用下出現(xiàn)極限平衡區(qū)。巷道周圍水平應(yīng)力分布如圖3所示，巷道周圍形成應(yīng)力降低區(qū)，4 m范圍內(nèi)無應(yīng)力集中區(qū)域。垂直應(yīng)力分布如圖4所示，在距離巷道表面3.5 m位置處形成應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力集中系數(shù)為1.3，應(yīng)力集中系數(shù)較小，有利于巷道的局部穩(wěn)定。

3.2.2 圍巖位移分布

巷道開挖后，巷道圍巖表面卸荷，圍巖向巷道中心移動。圍巖位移云圖如圖5、圖6所示，在錨桿錨索的作用下，錨固巖體承載能力有了顯著的提升，在一定程度上加強(qiáng)了對巷道圍巖變形量的控制，巷道整體變形較小，左幫最大變形為30 mm，右?guī)妥畲笞冃螢?7.8 mm，頂板最大下沉為41.5 mm，底板最大底鼓為19.9 mm。圍巖變形表明目前的支護(hù)方案可以較好地控制圍巖變形。

3.2.3 圍巖塑性區(qū)分布

巷道開挖后，不支護(hù)和低密度高強(qiáng)度支護(hù)巷道塑性區(qū)分布如圖7所示，支護(hù)后的巷道頂板中部開挖初期為拉破壞，后停止破壞，巷道肩角為初期發(fā)生的剪切破壞。巷道幫部既有拉破壞又有剪切破壞，剪切破壞是主要破壞方式。總體可以看出，巷道支護(hù)后，圍巖塑性區(qū)范圍顯著減小，頂板和幫部塑性區(qū)范圍均在錨桿支護(hù)系統(tǒng)以外。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在新安煤礦3416材料巷采用高強(qiáng)度低密度支護(hù)方案，于材料巷距掘進(jìn)工作面5，55，105，155 m處布置4個測站進(jìn)行礦壓監(jiān)測，即先在掘進(jìn)工作面后方5 m處布置測站Ⅰ，掘進(jìn)工作面再向前掘進(jìn)50 m后布置測站Ⅱ，如此依次共布置4個測站。緊跟掘進(jìn)面迎頭布置測站，先測試頂板下沉量和兩幫移近量，至掘進(jìn)機(jī)后方可測試頂?shù)装逡平繒r(shí)再進(jìn)行測試。觀測距離距掘進(jìn)面迎頭不小于150 m。

巷道礦壓監(jiān)測包括巷道表面位移與錨索受力。表面位移監(jiān)測即兩幫及頂?shù)装逡平浚捎缅^桿測力計(jì)監(jiān)測錨桿工作阻力。第一測站觀測結(jié)果見圖8、圖9。巷道開挖后，圍巖發(fā)生收斂變形，由于錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)，巷道收斂速度較慢，觀測期間，頂?shù)装逡平孔畲鬄?1 mm，兩幫最大移進(jìn)量為40 mm，巷道收斂變形較小，表明目前的方案很好地控制了圍巖變形。錨索受力監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在離迎頭較近距離時(shí)其應(yīng)力增加速率較快，隨后相對平緩增加，錨索所受應(yīng)力最大為132 kN，受力遠(yuǎn)小于其破斷載荷。因此，由監(jiān)測結(jié)果顯示，支護(hù)方案較為合理。

5 結(jié) 論

（1）以新安煤礦3416材料巷為工程背景，開展煤巷高強(qiáng)度低密度支護(hù)技術(shù)研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，該礦高強(qiáng)度低密度支護(hù)方案可以顯著控制圍巖變形，改善圍巖應(yīng)力環(huán)境，減小圍巖塑性區(qū)范圍。

（2）通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，對巷道圍巖表面位移和錨索受力進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示，兩幫和頂?shù)装逡平糠謩e為40 mm和51 mm，驗(yàn)證了3416煤巷圍巖高強(qiáng)度低密度支護(hù)參數(shù)的合理性。