礦井回采巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

尹新華

（華陽集團(tuán)七元煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400）

引言

隨著淺埋煤炭資源的枯竭，我國越來越多的煤礦開始開采深層資源，嚴(yán)重影響了回采巷道和礦室的穩(wěn)定性。與淺層相比，弱圍巖、高地壓是深測煤量層的典型特征，礦井深度超過800 m。超過一半的回采巷道受到大變形的威脅，需要反復(fù)進(jìn)行維修。回采巷道地面弱，地面壓力高，地面起伏問題尤為嚴(yán)重。各個(gè)礦區(qū)開展了若干專項(xiàng)研究和試驗(yàn)，研究適用于深部采礦的新加固措施，控制地面起伏問題[1]。目前對煤礦巷道底層的加固方法一般可分為巖體加固和應(yīng)力控制兩類。前者包括螺栓連接、灌漿、倒拱鋼支撐等。后者主要指地面開邊，通常應(yīng)用于高地面應(yīng)力下較硬的巖石。這樣可以釋放表層巖體中的高應(yīng)力，并將高應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)移到巖體的內(nèi)部。本文在數(shù)值模擬和比較分析的基礎(chǔ)上，對深巖巷道地坡的變形機(jī)理進(jìn)行了研究。采用組合加固系統(tǒng)來處理不良的地質(zhì)條件，對支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了優(yōu)化。

1 礦井地質(zhì)條件

1.1 回采巷道絞車室的支護(hù)情況

礦井回采巷道絞車室的地質(zhì)條件與其地標(biāo)線以上的地質(zhì)條件十分相似。礦井回采巷道的兩個(gè)絞車室彼此靠得很近，同時(shí)絞車室及相鄰道路的布置相對較近。地層以下絞車室的主要巖石類型為泥巖、砂質(zhì)泥巖和薄煤層。絞車基坑（深度為2.5 m）位于砂質(zhì)泥巖中（帶厚度為7.7 m）[2]。絞車基礎(chǔ)下有兩層細(xì)砂巖，距坑底分別為5.2 m 及6.5 m，并且出現(xiàn)了地層開裂的情況，如圖1 所示。

圖1 回采巷道工作通道開裂示意圖

1.2 巖性分析

回采巷道基礎(chǔ)的穩(wěn)定性主要受砂質(zhì)泥巖厚層的影響。大多數(shù)砂質(zhì)泥巖中含有單層白云石和伊利巖的混合層。水分流失或吸水現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致單脫石晶體層收縮或膨脹，這是巖石崩解的主要原因。根據(jù)以往的研究，砂質(zhì)泥巖流失時(shí)收縮，吸收時(shí)膨脹，是砂質(zhì)泥巖最常見的破壞方式。因此，開挖后應(yīng)控制含水量，防止含水量發(fā)生較大變化。通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果證明回采巷道周圍巖石的抗壓強(qiáng)度一般為7～15 MPa[3]，峰值強(qiáng)度低于20 MPa。隨著低層圍壓的增加，強(qiáng)度從20 MPa增加到50 MPa。

2 回采巷道巖體應(yīng)力分析

2.1 仿真環(huán)境的建立

在提出加固措施之前，對回采巷道及其相鄰道路開挖后巖體響應(yīng)進(jìn)行模擬。得到了變形行為和應(yīng)力分布特性，有助于提出適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施。ANSYS 根據(jù)回采巷道和相鄰道路的布局建立數(shù)值模型，如圖2 所示。嵌入FLAC3D，基于有限差分法進(jìn)行計(jì)算，主要目的是得到應(yīng)力釋放區(qū)和變形模式。

圖2 回采巷道及其相鄰道路巖體仿真模型

因此，本研究在建立數(shù)值模型時(shí)進(jìn)行了一些簡化，并沒有考慮地質(zhì)的不連續(xù)性或動(dòng)態(tài)影響。該煤礦的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)非常強(qiáng)，在該場地附近有致密斷層。根據(jù)地質(zhì)勘察地面應(yīng)力試驗(yàn)，場地附近水平主應(yīng)力約為25 MPa。因此，施加25 MPa 的水平應(yīng)力，而垂直應(yīng)力設(shè)置為20 MPa，以代表上覆巖體的重力[4]。模型中使用的屈服函數(shù)是具有張力的莫爾- 庫侖失效準(zhǔn)則。

2.2 仿真結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，回采巷道煤壁墻的角落是應(yīng)力集中區(qū)，而煤壁底板是主要的應(yīng)力釋放區(qū)。地坡的最大位移超過0.7 m。從垂直位移等高線圖，可以推斷等高線密度較大，位移較大。

圖3 回采巷道應(yīng)力場模擬分析

地面起伏主要發(fā)生在深度10 m 范圍以內(nèi)，相對位移超過0.6 m，支撐系統(tǒng)應(yīng)覆蓋該區(qū)域。基于數(shù)值模擬和以往的工程經(jīng)驗(yàn)，提出剪切滑移效應(yīng)是地脹的主要原因之一。變形可能從一個(gè)弱的起伏開始，并傳播到之前穩(wěn)定的空隙部分。

因此，從數(shù)值模擬中可以得出以下結(jié)論：圍巖的應(yīng)力釋放區(qū)為底板、山墻、巷道和硐室的重疊部位。底鼓主要是由于高地壓引起的底板剪切滑移所致。高地壓和軟弱圍巖是影響硐室和巷道穩(wěn)定性的不利因素。由于跨度較大，計(jì)算得到的巷道底鼓大于相鄰巷道底鼓。從垂直位移等值線圖可以推斷，等值線密度越大，位移越強(qiáng)烈。擾動(dòng)區(qū)主要位于10 m 以內(nèi)，離層位移超過0.6 m。錨注、錨索等加固措施應(yīng)覆蓋該區(qū)域，對巖體進(jìn)行加固，需要重新對錨桿的支護(hù)參數(shù)和方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及效果分析

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

回采巷道入口的整個(gè)部分由密集的錨桿加固。錨桿為1×19 股，直徑為22 mm，長4.3 m。內(nèi)端用樹脂膠囊固定后，應(yīng)合理施加預(yù)張力，然后將錨桿的其余部分用水泥漿封裝。經(jīng)中心調(diào)整和專門為注漿而設(shè)計(jì)的錨桿脹板，尺寸為300 mm×300 mm×16 mm[5]。回采巷道頂層和側(cè)面被鋼網(wǎng)覆蓋?；夭上锏理攲渝^桿間距為1200 mm，每排錨桿為5 根，同一行錨桿間距為900 mm。錨桿垂直安裝到屋頂表面。側(cè)邊錨桿間距為1200 m，每行需要3 根錨桿，錨桿垂直于側(cè)面安裝[6]。錨桿所需安裝的預(yù)張緊力為200～250 kN，如圖4 所示。

圖4 回采巷道錨桿布置示意圖

3.2 優(yōu)化后支護(hù)效果分析

在優(yōu)化支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)作用下，結(jié)合新型空心灌漿支護(hù)技術(shù)，在高預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿作用下，巷道斷面周邊形成壓應(yīng)力區(qū)，其最大應(yīng)力值為90 kPa，在錨固段前端區(qū)域最大壓應(yīng)力為30 kPa，如圖5 所示。施加底角錨桿支護(hù)，巷道斷面錨桿控制范圍內(nèi)圍巖壓應(yīng)力相互交匯，形成了類橢圓形的壓應(yīng)力區(qū)。由于全長錨固改善了圍巖狀態(tài)，高預(yù)應(yīng)力全長錨固結(jié)構(gòu)對巷道圍巖的強(qiáng)化加固作用持續(xù)延伸。通過與原支護(hù)方案相對比發(fā)現(xiàn)，使用高預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿索，使得壓應(yīng)力區(qū)的范圍延伸，巷道圍巖0～3 m 范圍內(nèi)總體處于受壓狀態(tài)，斷面四周形成具有一定厚度的承載圈體，承載圈內(nèi)圍巖壓應(yīng)力值大于10 kPa?？梢?，采用優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)后，支護(hù)區(qū)域內(nèi)圍巖更好的發(fā)揮承載作用，巷道整體穩(wěn)定性得到提高。

圖5 優(yōu)化支護(hù)系統(tǒng)回采巷道圍巖應(yīng)力場

4 結(jié)論

在深煤測量地層中，高地壓力、弱圍巖等不良地質(zhì)條件較為常見。隨著開采深度的增加，地下煤礦的地面起伏問題日益嚴(yán)重。為了提高深層礦井回采巷道加固方法，研究了高壓下弱層的新型組合支撐措施。得出如下結(jié)論：

1）砂質(zhì)泥巖的地質(zhì)調(diào)查和力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，回采巷道絞車室圍巖強(qiáng)度較弱，穩(wěn)定性難以控制。

2）對絞車室進(jìn)行了模擬，得到了圍巖的變形特征和應(yīng)力分布。側(cè)壁煤墻的角落是應(yīng)力集中區(qū)，而底板是應(yīng)力釋放區(qū)。地面起伏主要是由于地面高壓引起的地面剪切滑移。開挖擾動(dòng)區(qū)主要集中在10 m 深度內(nèi)。

3）在仿真結(jié)果和理論分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的回采巷道地板組合支撐系統(tǒng)和參數(shù)組合。采取了工程監(jiān)測措施，監(jiān)測結(jié)果表明，新型組合配套系統(tǒng)能夠滿足工程應(yīng)用。