皮帶巷道變形支護及數(shù)值模擬研究

張建生

（山西焦煤西山煤電西銘礦安監(jiān)處，山西 太原 030052）

引言

在煤礦開采過程中，隨著開采深度的不斷增加，地應力的作用愈發(fā)明顯，深部的巖層逐漸出現(xiàn)巷道變形大的現(xiàn)象，嚴重時會影響礦井的安全生產(chǎn)[1]，因此在礦井開采中對巷道的穩(wěn)定性提出了更高的要求，針對不同地質條件的煤礦制定科學合理的巷道支護形式，使得巷道在發(fā)生大變形時能夠得到有效的控制，保障礦井的安全穩(wěn)定運行。目前，關于巷道圍巖大變形的控制，國內(nèi)外的學者提出了多種理論，國外學者主要集中在古典壓力理論、塌落拱理論[2]、新奧法、能量支護理論、應力控制理論[3]等的探討，國內(nèi)學者則傾向于軸變論[4]、聯(lián)合支護、圍巖松動圈[5]、關鍵部位耦合支護、圍巖強度強化、剛性梁和圍巖波動型等理論，基于以上理論，衍生出了國內(nèi)外常用的三種主要支護形式，分別為主動支護、被動支護和聯(lián)合支護。被動支護一般采用噴射混凝土、棚架和砌體三種形式來支撐，主動支護在國內(nèi)外被廣泛接受，主要使用螺栓和錨桿來支撐，而聯(lián)合支護是根據(jù)不同巷道的圍巖變形，采用兩種或兩種以上支護方式共同作用，從而達到最強的支護效果，常見的有錨桿注漿網(wǎng)和注漿聯(lián)合支護，瞄噴網(wǎng)、注漿和鋼框架聯(lián)合支護[5]。本文通過對新建1號庫煤庫的49709皮帶巷進行實際勘驗和理論分析，從而確定了最佳的支護方式，制定相應的安全技術措施以，保證施工順利進行。

1 實驗部分

1.1 49709皮帶巷信息采集

在49709皮帶巷施工過程中，巷道頂部壓力明顯，棚梁多處變形，原先的支護形式為0.6 m棚距、單棚梁支護，穩(wěn)定性差，存在一定的安全隱患，因此需對支護方式進行進一步考察和優(yōu)化。在模型優(yōu)化中，一般選擇節(jié)理作為研究對象，節(jié)理是巖體受應力作用后產(chǎn)生的結構面，廣泛存在于巖體內(nèi)，對節(jié)理自身性質、分布規(guī)律以及巖石力學參數(shù)的研究是進行圍巖穩(wěn)定性分析及支護方法優(yōu)化的基礎，此外，皮帶巷斷面的規(guī)格也直接影響支護方案的設計[6-7]。因此實驗對49709皮帶巷的斷面和模型巖石進行了數(shù)據(jù)采集和準確測量。

1.2 數(shù)值模擬

采用三維離散單元法程序（3DEC），以表1的斷面規(guī)格所示，分析開挖后巷道的穩(wěn)定性，探討是否滿足礦井安全生產(chǎn)作業(yè)的條件。

表1 49709皮帶巷斷面規(guī)格

2 結果與討論

基于原單棚梁支護方式，對變形巷道圍巖的支護方式進行了優(yōu)化，提出了雙棚梁支護的方法，棚梁長3.4 m、棚腿長3.4 m，棚距0.8 m，循環(huán)進度為0.8 m，最大控頂距為1.2 m，最小控頂距0.4 m，同時明確了構頂、攀幫、撐木等具體實施條件。

1）構頂：需以破板壓梁頭，6根破板均勻排列，梁中心不得穿過破板，破板用木楔打牢背緊。每根破板上的固定木楔必須同方向，破板采用長為1.4 m的成品破板。

2）攀幫：每幫攀幫四道，上攀幫構木緊貼棚口，每道間隔0.8 m，攀幫須用木楔打緊背牢。

3）撐木：分別設在兩梁頭槽內(nèi)和棚口向下1.0 m處，撐木采用長為700 mm、寬度70 mm、厚度50 mm的成品撐木，各撐木須處在同一條直線上。

4）支護中棚腿叉角為10°，柱窩為100 mm，巷道有坡度時，架棚迎山角為巷道坡度的1/5。

5）頂板必須鋪設頂網(wǎng)加強支護，金屬網(wǎng)規(guī)格為1.4 m×1.9 m，聯(lián)網(wǎng)距為200 mm，搭接距為100 mm。

對49709皮帶巷未支護、單棚梁支護和雙棚梁支護三種支護方案進行了3DEC數(shù)值模型計算。根據(jù)開挖尺寸和裂隙網(wǎng)絡模型建立相應的含有裂隙的巷道模型，圖1為計算得到的三種支護條件下的巷道圍巖破壞形式。經(jīng)過對比可以看出：巷道開挖后主要存在張拉和剪切破壞，其中張拉破壞所占的比例最大。在未支護巷道中，重力作用導致巷道頂板的巖石脫落，結構面和自由面形成的塊體非常不穩(wěn)定，將會引起嚴重的安全事故，危害施工人員的生命安全；經(jīng)過單棚梁支護后，巷道圍巖的破壞形式發(fā)生變化，剪切破壞基本消失，存在少量的張拉破壞，巷道穩(wěn)定性得到明顯的改善，頂板沒有出現(xiàn)塊體脫落的現(xiàn)象，但在巷道底板區(qū)域出現(xiàn)了變形的現(xiàn)象，底板塊體發(fā)生鼓脹，該現(xiàn)象將破壞巷道的已有設備，極大地增加維護成本，甚至有可能危害施工人員生命安全；而經(jīng)過優(yōu)化后的雙棚梁支護后的巷道未出現(xiàn)張拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，巷道能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，頂部也沒有出現(xiàn)塊體掉落和滑動的現(xiàn)象，整體上支護效果良好。

圖1 巷道圍巖破壞形式

為了更好地比較支護方案的優(yōu)缺點，軟件還模擬了巷道變形位移量隨著開挖深度的變化趨勢，圖2為得到的三種支護方案的頂板累積位移變化曲線。在巷道未支護時，頂板出現(xiàn)較大的位移變形，最大的位移變形出現(xiàn)在頂板的肩部，豎直方向的頂板變形量超過2 cm，具有極高的安全風險，而且隨著開挖深度的增加，巷道變形仍在加劇，頂板下沉的累積變形量甚至超過8 cm，巷道完全被破壞，因此未采取任何支護方式的巷道不具備采礦作業(yè)的條件；在單棚梁支護條件下，可以看到巷道開挖后最大變形量超過0.5 cm，隨著開挖深度的增加，位移量先逐漸增大，最后保持平穩(wěn)狀態(tài)，整體上最大累積變形量超過1.1 cm，巷道仍然具有破壞的風險；而在雙棚梁支護方案中，可以看出當巷道設置支護后，斷面下沉量小于0.15 cm，變形程度處于有效控制范圍內(nèi)。根據(jù)頂板累積位移量變化曲線，巷道累積變形量在開挖初期有一定增加，但整體變化控制在0.15 cm以內(nèi)，由于雙棚梁支護作用整體巷道保持穩(wěn)定。同時隨著開挖深度的不斷增加，位移變化量基本保持不變，因此在雙棚梁作為支護時，巷道可以保持長期穩(wěn)定，為礦井安全開采提供了良好的環(huán)境和條件。

圖2 頂板累積位移變化曲線

3 結論

1）基于3DEC離散元模擬軟件對49709皮帶巷的未支護、單棚梁支護和雙棚梁支護三種方案進行了數(shù)值模擬計算，確定巷道開挖后主要存在張拉和剪切兩種破壞形式；

2）未支護巷道的頂板和底板均出現(xiàn)較大位移變形，累積變形量超過巷道安全值，頂板易發(fā)生巖石塊體脫落，具有很大的安全風險，不具備采礦作業(yè)條件；對比分析單棚梁支護和雙棚梁支護，單棚梁支護存在少量的張拉破壞，頂板保持穩(wěn)定，但底板出現(xiàn)膨脹變形現(xiàn)象，最大累積變形量超過1.1 cm，巷道具有一定安全風險；而雙棚梁支護下的頂板和底板均保持穩(wěn)定，隨著開挖深度的增加，仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)，滿足采礦作業(yè)要求。