深部高地應(yīng)力巷道圍巖變形特征分析與支護(hù)應(yīng)用

許 磊 祁 樂 張 慶

（河南能源化工集團(tuán)鶴煤三礦，河南 鶴壁 458030）

鶴壁礦區(qū)內(nèi)最大開采深度超過900 m，巷道呈現(xiàn)出礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、圍巖變形大等一系列工程問題，進(jìn)而造成巖巷掘進(jìn)速度慢、作業(yè)環(huán)境差、“前掘后修”等現(xiàn)象，使得鶴壁礦區(qū)采掘工作面比例失調(diào)，礦井采掘接替緊張，嚴(yán)重影響了鶴壁礦區(qū)煤炭安全高效生產(chǎn)[1-3]。針對(duì)以上問題，以鶴煤三礦4103 底抽巷（上）為工程背景，利用理論分析和相鄰巷道實(shí)踐，提出巷道支護(hù)方案，為同類型地質(zhì)條件礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 巷道圍巖變形力學(xué)特征分析

首先巷道將簡化為圓形，在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上建立不同應(yīng)力條件下圓形巷道力學(xué)模型，如圖1 所示。σr、σr1、σr2分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型受力狀態(tài)下徑向應(yīng)力；σθ、σθ1、σθ2分別表示Ⅰ、Ⅱ型和Ⅲ型受力狀態(tài)下切向應(yīng)力；R為巷道半徑；r和θ分別為微單元距巷道中心的距離和坐標(biāo)角；Pv和Ph分別為巷道及其圍巖所承受的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力；Pi為支護(hù)強(qiáng)度。巷道及其圍巖的Ⅰ型受力狀態(tài)中巷道圍巖內(nèi)各點(diǎn)的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的表達(dá)式為[4-6]：

圖1 巷道圍巖力學(xué)模型

Ⅰ型受力狀態(tài)中巷道圍巖煤巖體的變形協(xié)調(diào)方程和應(yīng)力-應(yīng)變方程分別如下：

式中：υ為泊松比；E為彈性模量；εθ為切向應(yīng)變。

通過對(duì)公式（1）～（4）進(jìn)行聯(lián)立求解及簡化可得到Ⅰ型受力狀態(tài)中巷道圍巖煤巖體的徑向位移的簡化表達(dá)式為：

式中：λ表示水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值，即巷道側(cè)向應(yīng)力系數(shù)。

現(xiàn)分析第1 象限的交點(diǎn)，即將θ=0 和θ=π/2 分別代入式（6），得：

巖石泊松比一般小于0.5，且由（6）式可看出，巷道圍巖的變形量與側(cè)向應(yīng)力系數(shù)和支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)，即隨著側(cè)壓系數(shù)的增加而增加，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加而減少。結(jié)合式（1）和式（6）可知，當(dāng)0 ＜λ＜1/3 時(shí)，在壓應(yīng)力作用下，兩幫向巷道圓心發(fā)展，頂?shù)装宓淖冃瘟啃∮趦蓭妥冃瘟?；?dāng)1/3 ＜λ＜1 時(shí)，在壓應(yīng)力作用下，巷道頂板及兩幫均向巷道圓心發(fā)展，頂?shù)装遄冃瘟啃∮趦蓭妥冃瘟浚划?dāng)1 ＜λ＜3 時(shí)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭途艿綁簯?yīng)力的作用，頂?shù)装遄冃瘟看笥趦蓭偷淖冃瘟浚划?dāng)3 ＜λ時(shí)，巷道頂?shù)装迨軌簯?yīng)力作用，巷道兩幫在拉應(yīng)力的作用下位移背離巷道圓心發(fā)展，巷道頂?shù)装遄冃瘟看笥趦蓭妥冃瘟?。如圖2。

圖2 不同λ 值條件下巷道斷面位移演變特征

2 工程背景

鶴煤三礦4103 底抽巷（上）設(shè)計(jì)長度1 357.1 m，埋深約900 m，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層產(chǎn)狀變化大，巷道為直墻半圓拱形斷面，斷面寬×高=5.2 m×3.6 m。該巷主要在細(xì)粒砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖中施工，采用以EBZ-318（H）掘進(jìn)機(jī)為主的綜合機(jī)械化作業(yè)線，巷道支護(hù)方式為先初噴后錨網(wǎng)的支護(hù)方式，循環(huán)作業(yè)方式采用隨掘隨成，每小班進(jìn)尺為1.6 m。礦區(qū)應(yīng)力主要以水平應(yīng)力為主，該巷道λ值大約在1.8。由以上力學(xué)分析可知，4103 底抽巷（上）在巷道支護(hù)中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)頂板支護(hù)。

3 4103 底抽巷（上）錨桿支護(hù)對(duì)策分析

綜合相鄰巷道的支護(hù)實(shí)踐以及上述深部巷道變形特征分析結(jié)果[7-10]，4103 底抽巷（上）兩幫位移量小于頂板位移量，在支護(hù)中應(yīng)先加強(qiáng)頂板支護(hù)。因此在頂板增加錨索來增加頂板支護(hù)強(qiáng)度，即該巷道采取先初噴漿，后錨桿+錨索+金屬網(wǎng)的支護(hù)方式。錨桿間排距為800 mm×800 mm，在頂板以中線對(duì)稱位置布置3 錨索，間排距為1700 mm×2400 mm，選用Ф22 mm×2400 mm 高強(qiáng)左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。選用Ф22 mm×5250 mm 錨索，托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×14 mm，金屬片網(wǎng)采用Φ6.5 mm 鋼筋焊制而成，規(guī)格為2000 mm×1000 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm。4103 底抽巷（上）巷道支護(hù)斷面圖如圖3。

圖3 4103 底抽巷（上）巷道支護(hù)斷面圖（mm）

4 現(xiàn)場工程實(shí)踐

為對(duì)該巷道的錨桿支護(hù)方式進(jìn)行監(jiān)測，每隔20 m 布置礦壓觀測站進(jìn)行觀測，分別以1#測站、2#測站、3#測站、4#測站沿4103 底抽巷（上）依次編號(hào)，礦壓觀測結(jié)果如圖4、圖5。通過礦壓監(jiān)測可以看出，巷道兩幫的相對(duì)移近量最大為180.3 mm，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大為137.2 mm。由此可見，該支護(hù)方式很好地控制了圍巖兩幫和頂?shù)装宓淖冃?，圍巖強(qiáng)度得到了有效強(qiáng)化，有利于巷道的安全快速掘進(jìn)。

圖4 頂?shù)装逡平侩S時(shí)間變化曲線

圖5 兩幫移近量隨時(shí)間變化曲線

5 結(jié)論

本文對(duì)深部巷道圍巖變形進(jìn)行了力學(xué)分析，由分析可知，深部巷道圍巖變形與側(cè)壓系數(shù)和支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)聯(lián)，即巷道整體變形量隨著側(cè)壓系數(shù)的增加而增加，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加而降低。結(jié)合鶴壁礦區(qū)地應(yīng)力的特點(diǎn)，在支護(hù)時(shí)應(yīng)特別注意巷道頂板支護(hù)。以鶴煤三礦4103 底抽巷（上）為工程背景，合理確定支護(hù)方式，很好地控制了圍巖兩幫和頂?shù)装宓淖冃?，為同類地質(zhì)條件礦井提供了一定的依據(jù)。