皮帶巷道變形支護及數值模擬研究

張建生

（山西焦煤西山煤電西銘礦安監處，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，地應力的作用愈發明顯，深部的巖層逐漸出現巷道變形大的現象，嚴重時會影響礦井的安全生產[1]，因此在礦井開采中對巷道的穩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，使得巷道在發生大變形時能夠得到有效的控制，保障礦井的安全穩定運行。目前，關于巷道圍巖大變形的控制，國內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，國內學者則傾向于軸變論[4]、聯合支護、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，主動支護在國內外被廣泛接受，主要使用螺栓和錨桿來支撐，而聯合支護是根據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和注漿聯合支護，瞄噴網、注漿和鋼框架聯合支護[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化。在模型優化中，一般選擇節理作為研究對象，節理是巖體受應力作用后產生的結構面，廣泛存在于巖體內，對節理自身性質、分布規律以及巖石力學參數的研究是進行圍巖穩定性分析及支護方法優化的基礎，此外，皮帶巷斷面的規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據采集和準確測量。

1.2 數值模擬

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

表1 49709皮帶巷斷面規格

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）頂板必須鋪設頂網加強支護，金屬網規格為1.4 m×1.9 m，聯網距為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數值模型計算。根據開挖尺寸和裂隙網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定，將會引起嚴重的安全事故，危害施工人員的生命安全；經過單棚梁支護后，巷道圍巖的破壞形式發生變化，剪切破壞基本消失，存在少量的張拉破壞，巷道穩定性得到明顯的改善，頂板沒有出現塊體脫落的現象，但在巷道底板區域出現了變形的現象，底板塊體發生鼓脹，該現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；而經過優化后的雙棚梁支護后的巷道未出現張拉破壞區和剪切破壞區，巷道能夠保持穩定狀態，頂部也沒有出現塊體掉落和滑動的現象，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，頂板出現較大的位移變形，最大的位移變形出現在頂板的肩部，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，最后保持平穩狀態，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。根據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，由于雙棚梁支護作用整體巷道保持穩定。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定，為礦井安全開采提供了良好的環境和條件。

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較大位移變形，累積變形量超過巷道安全值，頂板易發生巖石塊體脫落，具有很大的安全風險，不具備采礦作業條件；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，頂板保持穩定，但底板出現膨脹變形現象，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定，隨著開挖深度的增加，仍能保持穩定狀態，滿足采礦作業要求。