深部極軟弱圍巖長距離回采巷道支護技術研究

裴 松，萬志軍，張 源，朱成坦

（中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州221116）

1 1207工作面回采巷道圍巖情況概述

新安煤礦1207工作面回采巷道埋深在720～1 100m之間，位于安口～新窯向斜的軸部附近，小構造相對較發(fā)育，頂底板主要由泥巖、砂質泥巖組成，抗壓強度極低，直接頂厚度不穩(wěn)定，有“草帽滑”現(xiàn)象，裂隙發(fā)育，破碎易冒（表1）。

表1 1207工作面回采巷道煤層與頂底板巖層力學參數

1206掘進工作面巷道圍巖頂底板最大變形量1250mm；兩幫最大變形量850mm。1207工作面回采巷道埋深更大，應該有更大變形量，推測1207掘進工作面巷道頂底板最大變形量在1500mm以上，兩幫最大變形量1000mm以上。

巖性極軟弱：通過對新安煤礦回采巷道頂底板巖石進行X射線衍射分析及力學參數測定得知：巖石中含有較多的高嶺石、伊利石、石英，有部分菱鐵礦，及少量長石、方解石、白云石、伊蒙混層等礦物，圍巖泥化、砂化現(xiàn)象非常嚴重。

圍巖應力水平高。①巷道埋深大：新安煤礦1207工作面回采巷道埋深900m左右，巷道上覆巖層的靜水壓力約為23.5MPa。隨著開采深度增加，應力的增大，軟巖大變形特征將愈加明顯。②構造應力大新安煤礦1207工作面回采巷道位于安口—新窯向斜軸部附近，存在較大的構造應力，且巷道與主要構造應力夾角為40°左右。根據水平應力理論當巷道軸向與構造應力的夾角小于25°30°時，對巷道圍巖的穩(wěn)定性影響較??；夾角大于25°30°時，對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大。

2 巷道支護方案設計

根據已有的工程實踐，結合1207工作面具體地質條件，提出四種支護方案。四種方案護表構件均為：鋼帶采用直徑12mm，Q235－AF（A3）型圓鋼焊制，規(guī)格為長4.16m、3.36m、2.56m。

方案一錨桿支護。①巷道斷面：斷面為拱形，凈斷面尺寸：寬×高＝5.0m×3.0m，巷道沿煤層底板掘進。②頂幫支護：巷道頂板：選用9根Φ22×2500mm的左旋高性能螺紋鋼錨桿（可實現(xiàn)連續(xù)一體化安裝）。頂板錨桿間距為800mm，垂直頂板布置，如圖1所示。兩幫：各選用2根Φ22×2200mm的普通螺紋鋼錨桿。幫錨桿間距如圖1所示，幫中部1根錨桿垂直煤幫布置，底角錨桿布置角度為30°。③錨固方式：錨桿采用端部錨固方式。④錨桿排距：初步確定錨桿排距為800mm。菱形網：菱形金屬網不僅可以維護錨桿之間的圍巖，防止破碎巖塊垮落，而且它緊貼在巷道表面，能夠提供一定的支護力，將錨桿之間巖層的載荷傳遞給錨桿，形成整體支護系統(tǒng)，一定程度上可以改善巷道表面巖層的受力狀況。10＃鐵絲編織，規(guī)格為寬×長＝1000mm×6000mm和寬×長＝1000mm×3000mm兩種。木托板：長×寬×厚＝400mm×200mm×50mm的新木料，必須使用優(yōu)質濕柳木加工而成。金屬網：Φ6.5mm、規(guī)格為長×寬＝2000mm×900mm。

方案二錨桿錨索聯(lián)合支護。①頂幫支護：巷道頂板：選用9根Φ18.9×4000mm的單根鋼絞線預應力錨索。頂板錨索間距為800mm，如圖2所示。兩幫：各選用2根Φ22×2200mm的普通螺紋鋼錨桿。幫錨桿間距如圖2所示，幫中部1根錨桿垂直煤幫布置，底角錨桿布置角度為30°。②錨固方式：錨桿（索）采用端部錨固方式。③錨桿（索）排距：初步確定錨桿（索）排距為800mm。

圖1 方案一錨桿支護方案示意圖

圖2 方案二短錨索支護方案示意圖

方案三錨桿錨索聯(lián)合支護。①頂幫支護。巷道頂板：選用6根Φ22×2500mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（可實現(xiàn)連續(xù)一體化安裝）和3根Φ18.9×8000mm的單根鋼絞線預應力錨索。頂板錨桿間距為800mm，錨桿垂直頂板布置，錨索間距1600mm，布置方式如圖3所示。兩幫：各選用2根Φ22×2200mm的普通螺紋鋼錨桿。幫錨桿間距如圖3所示，幫中部1根錨桿垂直煤幫布置，底角錨桿布置角度為30°。②錨固方式錨桿（索）均采用端部錨固方式。③錨桿（索）排距：初步確定錨桿排距為800mm，錨索排距為1600mm。

圖3 方案三錨桿錨索聯(lián)合支護方案示意

方案四長短錨索聯(lián)合支護：①頂幫支護。巷道頂板：選用6根Φ18.9×4000mm的根鋼絞線預應力錨索（可實現(xiàn)連續(xù)一體化安裝）和3根Φ18.9×8000mm的單根鋼絞線預應力錨索，錨索布置中采用“兩短一長”的布置方案，即打兩排短錨索，再打一排長錨索，在長錨索中間貫穿布置短錨索。頂板短錨索間距為800mm，垂直頂板布置，長錨索間距1600mm，布置方式如圖4所示。兩幫：各選用1根Φ18.9×4000mm的根鋼絞線預應力錨索和1根Φ22×2200mm的普通螺紋鋼錨桿，幫中部1根錨索垂直煤幫布置，底角錨桿布置角度為30°，如圖4所示。②錨固方式：錨索均采用端部錨固方式。③錨索排距：初步確定短錨索排距為800mm，長錨索排距為1600mm。

圖4 方案四長短錨索聯(lián)合支護示意圖

3 巷道支護方案數值模擬研究

3.1 模型的建立

選取巷道走向中軸線為研究對象，建立三維力學模型。

模型尺寸為100m×100m×61m。

邊界條件：模型X、Y方向速度固定，Z方向速度自由，模型底部位移固定，頂部受均被載荷，為自由邊界，模型兩側各留40m以消除邊界效應。

破壞準則：摩爾庫倫屈服準則。

3.2 結果分析

根據前述提出的四種支護方案，模擬不同支護條件下巷道變形情況，用以選擇合理的支護方式。

四種支護方式得到的巷道變形結果如圖5～12所示。

1）通過圖5、圖6可知，方案一產生的巷道最大頂底板移近量為2530mm，兩幫移近量為950mm，巷道變形較為劇烈，基本無法使用。表明單純的錨桿支護完全不能滿足要求。

2）通過圖7、圖8可知，方案二產生的巷道最大頂底板移近量為1625.8mm，兩幫移近量為526mm，巷道變形較方案一有所改善，但仍舊較為劇烈。由于方案二中錨固范圍較方案一大，因此對圍巖加固作用較方案一明顯，對巷道變形起到一定的限制作用，但該作用尚不滿足生產要求。

圖5 錨桿支護垂向位移場圖

圖6 錨桿支護水平位移場

圖7 短錨索支護垂向位移場圖

圖8 短錨索支護水平位移場

圖9 錨桿錨索聯(lián)合支護垂向位移場圖

圖10 錨桿錨索聯(lián)合支護水平位移場

圖11 長短錨索聯(lián)合支護垂向位移場圖

3）通過圖9、圖10可知，采用方案三巷道產生的最大頂底板移近量為838mm，兩幫移近量為247mm。方案三與方案一相比頂板下沉有明顯改善，兩幫移近量也相對減小，說明8m長錨索發(fā)揮了顯著的懸吊作用，將巷道直接頂懸吊在老頂上，減小了巷道兩幫所受的頂板載荷。結果表明長錨索一方面發(fā)揮懸吊作用，對兩幫受力有一定改善；另一方面將直接頂與老頂巖層組成組合梁，增大了整體的抗變形能力，使頂板下沉顯著減小。

圖12 長短錨索聯(lián)合支護水平位移場

方案三與方案二相比兩幫移近量有所增加。原因在于方案三兩幫采用2500mm長的錨桿支護，比方案二中采用的4000mm錨索錨固范圍小，且錨桿由于較短無法將直接頂懸吊在基本頂上，所以變形相應增大，表明4000mm的錨索對圍巖控制效果比錨桿更為明顯。

4）通過圖11、圖12可知，采用方案四巷道產生的最大頂底板移近量為453mm，兩幫移近量為127mm，巷道變形得到明顯改善，表明采用4000mm錨索和8000mm長錨索聯(lián)合支護大大增加了錨固區(qū)范圍，錨索懸吊作用明顯，極大改善了錨固區(qū)范圍內圍巖受力狀態(tài)，有效控制了圍巖變形，滿足安全生產的要求。

因此，最終確定選擇方案四。

4 巷道覆巖變化規(guī)律實測分析

根據1207工作面回采巷道鉆孔的布置及實測結果，對觀測結果進行分析。

圖13給出了距孔口不同的距離的頂板變化情況：在距離孔口最近處，直接頂雖是砂質泥巖，易破碎，下方有金屬菱形網支撐，在30cm處沒有出現(xiàn)明顯的破碎，隨著孔距的加深，頂板破壞較為明顯，直接頂的厚度約為120cm，在80cm和130cm處均出現(xiàn)了明顯的裂隙，在此處出現(xiàn)了離層，老頂為中粒砂巖，在150cm和193cm處也出現(xiàn)了明顯的裂隙，由于1207工作面回采巷道處于向斜構造帶中，且鉆孔附近有小型斷層，導致了老頂的底部裂隙的出現(xiàn)。在鉆孔深度為251cm以上時，未出現(xiàn)任何裂隙，說明此支護方案起到了較好的支護效果。

圖14中所示的鉆孔變化情況與圖5的變化情況基本相同。

圖13 1207軌道巷掘進50m處頂板鉆孔探測圖

圖14 1207軌道巷掘進100m處頂板鉆孔探測圖

5 主要結論

1）根據實際情況，提出了四種巷道支護方案，通過數值模擬方法，對各種支護方案的支護效果作出預計。

2）采用數值模擬計算方法，對四種巷道支護方案進行模擬，根據模擬結果對比分析，方案四的頂底板、左右兩幫的變形量最小，確定為最佳的巷道支護方案。

3）通過對回采巷道頂板鉆孔的實測，觀測巷道頂板直接頂及老頂的裂隙情況，根據觀測結果，說明全斷面長短錨索“兩短一長”耦合支護技術有效地控制了頂板的離層及老頂的破壞，此種支護方案下可以有效地控制頂板的穩(wěn)定。

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