特厚煤層巷道拱梁耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定性控制研究

黃 鑫

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司正利礦，山西 太原 030000）

引言

在進(jìn)行特厚煤層開(kāi)采時(shí)，由于巷道頂板高度發(fā)育，所以造成巷道出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，同時(shí)由于巷道圍巖的各向異性使得巷道出現(xiàn)垮落，影響礦山的正常生產(chǎn)。針對(duì)特厚煤層巷道圍巖易發(fā)生失穩(wěn)的問(wèn)題，此前眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過(guò)一定的研究，蘇學(xué)貴等[1]利用FLAC3D 數(shù)值軟件對(duì)厚煤層巷道沿底掘進(jìn)時(shí)巷道圍巖受力、變形及破壞特征進(jìn)行模擬研究，并給出厚煤層巷道圍巖控制的方案，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證支護(hù)效果良好。王漢鵬等[2]對(duì)淺埋特厚煤層回采巷道的支護(hù)形式進(jìn)行研究，提出利用錨桿+鋼筋梯+金屬網(wǎng)+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式，通過(guò)FLAC3D 數(shù)值模擬驗(yàn)證了錨桿支護(hù)的效果，有效地控制了巷道的變形。本文以正利礦為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)特厚煤層巷道圍巖的支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證其可行性，為特厚煤層開(kāi)采巷道穩(wěn)定性作出一定的貢獻(xiàn)。

1 正利礦概況

正利煤業(yè)位于山西省嵐縣社科鄉(xiāng)葛鋪村，距縣城11 km，井田面積9.26 km2，生產(chǎn)能力150 萬(wàn)t/年。礦井地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，在井田范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱等復(fù)雜構(gòu)造，礦井開(kāi)拓方式為平硐加斜井式，井下工作面布置方式為條帶式。現(xiàn)主要開(kāi)采山西組2 號(hào)煤層，煤層平均厚度3.5 m。2-105 工作面位于該礦南五采區(qū)，由于巷道頂板高度發(fā)育，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，同時(shí)由于巷道圍巖的各向異性使得巷道出現(xiàn)垮落，嚴(yán)重影響礦山的安全生產(chǎn)。

2 耦合支護(hù)系統(tǒng)研究

在進(jìn)行特厚煤層開(kāi)采時(shí)，由于煤層內(nèi)部含有許多夾層，使得其節(jié)理裂隙發(fā)育較好，使得其結(jié)構(gòu)受力十分復(fù)雜，出現(xiàn)變形，變形特征可以分為：在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，頂板的變形量小于巷道兩幫的變形量，而在進(jìn)行工作面推進(jìn)過(guò)程中，兩幫的移近量則大于頂板的下沉量，且呈現(xiàn)三個(gè)階段的趨勢(shì)，分別為快速增加、勻速增加及平穩(wěn)；掘進(jìn)過(guò)程中的圍巖變形主要受到采動(dòng)及工程擾動(dòng)的影響，特厚煤層巷道受到兩者的影響出現(xiàn)大變形，所以減小兩者的影響可以有效地控制圍巖變形，距工作面越遠(yuǎn)，巷道的變形程度越低；由于特厚煤層巷道的特殊性，頂板煤層厚度較大，即使頂板出現(xiàn)較小的變形但仍有冒頂?shù)仁鹿实奈ｋU(xiǎn)，所以支護(hù)對(duì)于特厚煤層巷道穩(wěn)定性而言十分重要[3]。

為了解決特厚煤層巷道的圍巖不穩(wěn)定性，選定巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)十分重要。隨著高預(yù)應(yīng)力及高強(qiáng)度錨桿的應(yīng)用，為特厚煤層的控制得到了一定幅度的提升。同時(shí)隨著高預(yù)應(yīng)力錨索的出現(xiàn)更是為特厚煤層巷道的支護(hù)提供了便利。本文對(duì)于不穩(wěn)定頂板，提出采用高強(qiáng)度錨桿（30～80 kN）的支護(hù)方案，錨桿可以提供155 kN 的錨固力，同時(shí)與頂板煤巖形成較大的組合梁承載結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)用高應(yīng)力錨索，直徑17.8 mm，長(zhǎng)度為5～10 m，屈服載荷約為340 kN，通過(guò)將錨索打入深部基巖，不僅能夠加固圍巖，同時(shí)能夠控制深部圍巖穩(wěn)定性。以特厚煤層的頂板為主布置錨桿，與鋼帶及金屬網(wǎng)等支護(hù)材料在淺部頂板形成組合梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)布置高預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)應(yīng)力錨索與淺部組合梁形成較大的拱-梁體支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效地限制了巷道的變形。耦合支護(hù)系統(tǒng)，有效地提升了巷道穩(wěn)定性[4]。

3 數(shù)值模擬研究

正利礦2-105 工作面運(yùn)輸巷斷面長(zhǎng)、寬分別為5 m、4m。巷道頂板錨桿選定為尺寸Φ20mm×2400 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿的間排距設(shè)定為800 mm、800 mm，同時(shí)每排設(shè)置7 根，錨索選定為Φ17.8 mm×8 000 mm 的高強(qiáng)鳥(niǎo)籠錨索，排距2 400 mm，每排布置3 根。巷道兩幫的錨桿選用Φ18 mm×2 100 mm的蛇形扭矩應(yīng)力錨桿，每排9 根（高幫5 根，低幫4根），設(shè)定間排距為800 mm、800 mm。巷道支護(hù)布置圖如圖1 所示。

圖1 巷道支護(hù)布置圖

為了更好地分析錨桿錨索聯(lián)合作用下的巷道圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同支護(hù)參數(shù)對(duì)特厚煤層的巷道穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，物理參數(shù)設(shè)定及應(yīng)力約束的設(shè)定后，對(duì)模型進(jìn)行一定的計(jì)算，首先對(duì)不同預(yù)緊力下的組合梁分布情況進(jìn)行研究，如圖2 為不同預(yù)緊力下的模擬云圖及組合梁分布曲線。

圖2 不同錨桿預(yù)緊力下的模擬云圖及組合梁分布曲線

從圖2 中可以看出，隨著預(yù)緊力的增大，錨桿間的組合梁疊加作用明顯，組合梁的體積及組合梁中心應(yīng)力值逐步增大。當(dāng)預(yù)緊力在20～60 kN 變化時(shí)，此時(shí)預(yù)應(yīng)力組合梁的體積增大速度較快，增長(zhǎng)速度為每20 kN 增長(zhǎng)3.99 m3，當(dāng)錨桿的預(yù)緊力大于60 kN時(shí)，此時(shí)的增長(zhǎng)速度下降明顯，約每20kN 增長(zhǎng)1.66m3。同時(shí)根據(jù)預(yù)緊力梁體中心應(yīng)力值的變化曲線可以看出，當(dāng)預(yù)緊力為20 kN 時(shí)，此時(shí)的梁體中心應(yīng)力值為40 kPa，當(dāng)錨桿預(yù)緊力增大至120 kN 時(shí)，此時(shí)的梁體中心應(yīng)力值為202 kPa。當(dāng)錨桿預(yù)緊力過(guò)大時(shí)，組合梁的體積增長(zhǎng)效果不佳，且經(jīng)濟(jì)需求較大，當(dāng)錨桿的預(yù)緊力較小時(shí)又不能很好的形成組合梁結(jié)構(gòu)，所以適當(dāng)?shù)倪x定預(yù)緊力對(duì)圍巖的穩(wěn)定至關(guān)重要，合理的預(yù)緊力為60 kN。對(duì)不同錨索預(yù)緊力下的組合梁分布情況進(jìn)行研究，如圖3 為不同錨索預(yù)緊力下的組合梁分布曲線。

圖3 不同錨索預(yù)緊力下組合梁分布曲線

從圖3 中可以看出，隨著錨索預(yù)緊力的增大，拱體體積及拱體中心壓應(yīng)力均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)錨索預(yù)緊力在60～150 kN 變化時(shí)，此時(shí)的拱體體積增大速度較快，增長(zhǎng)速度為每30 kN 增長(zhǎng)6.22 m3，當(dāng)錨索預(yù)緊力大于150 kN 時(shí)，此時(shí)的增長(zhǎng)速度下降明顯，約每30 kN 增長(zhǎng)2.25 m3。同時(shí)根據(jù)拱體中心應(yīng)力值的變化曲線可以看出，當(dāng)預(yù)緊力為150 kN 時(shí)，此時(shí)的拱體中心應(yīng)力值為895.9 kPa。類似于錨桿組合梁，考慮經(jīng)濟(jì)效益，合理的錨索預(yù)緊力為150 kN。對(duì)錨桿錨索長(zhǎng)度對(duì)組合梁和拱體變化的影響進(jìn)行分析，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加梁體體積逐步呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，而梁體中心壓力值呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢(shì)，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2.2m 時(shí)，此時(shí)的梁體體積為14.1m3，而梁體中心壓應(yīng)力為92.8 kPa，可以看出隨著錨桿長(zhǎng)度的繼續(xù)增大，應(yīng)力值變化不大，所以錨桿的最佳長(zhǎng)度為2.2 m。類似的錨索的最佳長(zhǎng)度為8 m。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)不同錨桿預(yù)緊力下梁體的體積及梁體中心平均壓應(yīng)力曲線可以看出，隨著錨桿預(yù)緊力的增大，梁體體積及中心應(yīng)力均增大，最佳錨桿預(yù)緊力為60 kN。

2）通過(guò)對(duì)不同錨索預(yù)緊力下拱體的體積及拱體中心平均壓應(yīng)力曲線可以看出，隨著錨索預(yù)緊力的增大，拱體體積及中心應(yīng)力均增大，最佳錨索預(yù)緊力為150 kN。

3）通過(guò)對(duì)不同錨桿錨索長(zhǎng)度下組合梁體積及中心壓力值進(jìn)行分析，得出錨桿的最佳長(zhǎng)度為2.2 m，錨索的最佳長(zhǎng)度為8 m。