深部巖巷快速掘進(jìn)合理支護(hù)參數(shù)研究

王修旭， 吳德義

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601）

0 引 言

巖巷掘進(jìn)在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中占有重要的位置，在新井建設(shè)中，巖巷掘進(jìn)工程量一般約占總工程量的40%～50%，在生產(chǎn)礦井中占總工程量的25%左右［1－2］。與此同時(shí)，淮北礦區(qū)袁店二礦101采區(qū)運(yùn)輸上山及石門(mén)擔(dān)任著整個(gè)采區(qū)煤體的運(yùn)輸任務(wù)，巷道及時(shí)貫通對(duì)于該采區(qū)正常投入使用，保證采掘比例協(xié)調(diào)至關(guān)重要。但該巷道埋置較深（距地表約550．0m），地質(zhì)條件變化較為頻繁，其中大部分地段為普氏系數(shù)f＝9．0～10．0的粉砂巖，由于巖石較硬，巷道掘進(jìn)速度緩慢，效率很差，月進(jìn)尺只有80．0～90．0m左右，難以滿足正常的生產(chǎn)要求，究其原因，主要是由于作為主要工序的支護(hù)工序占用了較長(zhǎng)時(shí)間，約占整個(gè)循環(huán)作業(yè)時(shí)間的60%，選擇合理支護(hù)參數(shù)，減少支護(hù)時(shí)間對(duì)于提高該巷道掘進(jìn)速度尤為必要。文獻(xiàn)［3－5］都提出了通過(guò)優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)提高掘進(jìn)速度。

本文通過(guò)十字拉線法［6］測(cè)量巷道兩幫及頂?shù)妆砻孀冃?、鉆孔攝像儀觀測(cè)圍巖松動(dòng)破碎、數(shù)值模擬分析目前支護(hù)條件圍巖表面變形，對(duì)目前支護(hù)合理性進(jìn)行了分析，提出了應(yīng)采用的合理支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時(shí)機(jī)，應(yīng)用于工程實(shí)際，明顯縮短工序作業(yè)時(shí)間，提高了掘進(jìn)速度。

1 工程概況

袁店二礦101采區(qū)運(yùn)輸上山及石門(mén)位于7211采空區(qū)下方，埋深約為530m，頂板、兩幫主要表現(xiàn)為泥巖和粉砂巖，主要圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如下表1。巷道斷面為直墻半圓拱形，斷面尺寸及目前具體支護(hù)情況如圖1所示，原巷道采用錨網(wǎng)（索）支護(hù)，錨桿選用左旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，扭矩不小于300N·m，錨索預(yù)緊力不小于120KN，金屬網(wǎng)采用 Φ6－80×80mm，長(zhǎng)1800mm，寬900mm。

表1 主要巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖1 巷道斷面尺寸及支護(hù)參數(shù)

3 圍巖支護(hù)合理性分析

3．1 圍巖松動(dòng)破碎變形實(shí)測(cè)分析

采用十字拉線法對(duì)巷道兩幫及頂?shù)妆砻孀冃芜M(jìn)行觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)1、2典型測(cè)量結(jié)果如圖3－5。

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果如下:測(cè)點(diǎn)1頂板變形21mm，測(cè)點(diǎn)2頂板變形20mm；測(cè)點(diǎn)1、2的左幫變形分別為23mm、21mm；右?guī)妥冃未蠹s為27mm、23mm；根據(jù)實(shí)測(cè)表面變形對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，圍巖表面變形隨時(shí)間演化的回歸方程滿足。

圖2 十字布點(diǎn)法

圖3 測(cè)點(diǎn)1、2頂板變形隨時(shí)間變化

圖4 測(cè)點(diǎn)1、2左幫變形隨時(shí)間變化

圖5 測(cè)點(diǎn)1、2右?guī)妥冃坞S時(shí)間變化

其中A為圍巖表面最大變形，mm；

B為圍巖表面變形增長(zhǎng)速度衰減系數(shù)。

由最小二乘法得到回歸系數(shù)如表2:

表2 不同測(cè)點(diǎn)圍巖變形回歸系數(shù)

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的非線性擬合，得出表2中的不同測(cè)點(diǎn)圍巖變形回歸系數(shù)。由回歸方程我們知道:圍巖變形最大值即為A。從表2中可以看出，測(cè)點(diǎn)1的圍巖變形最大值為右?guī)停?7．3mm；測(cè)點(diǎn)2的圍巖變形最大值為左幫，25．3mm。

圍巖表面變形的容許值與圍巖性質(zhì)密切相關(guān)，針對(duì)淮北常見(jiàn)的粉砂巖、泥巖，根據(jù)項(xiàng)目組已有研究成果:圍巖表面變形容許值可取為100～200mm，其中泥巖圍巖表面變形容許值可取為120mm，砂巖表面變形容許值可取為100mm，超過(guò)該值圍巖變形有失穩(wěn)趨勢(shì)。

合理支護(hù)形式應(yīng)使圍巖表面變形在容許變形附近，以上工程實(shí)測(cè)表明，圍巖表面變形和圍巖表面變形臨界容許值相差較大，圍巖變形雖保持穩(wěn)定，但圍巖自承載力并未充分發(fā)揮，造成不經(jīng)濟(jì)節(jié)約；同時(shí)由于支護(hù)過(guò)多，支護(hù)占有更長(zhǎng)的工序時(shí)間，影響掘進(jìn)速度。

3．2 圍巖松動(dòng)破碎范圍測(cè)量

圍巖松動(dòng)圈是由于圍巖開(kāi)挖形成應(yīng)力集中超過(guò)圍巖自身強(qiáng)度而在巷道周?chē)纬傻乃榱阉沙趲В?－7］。董方庭教授等在大量現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出采用工程實(shí)測(cè)的松動(dòng)圈厚度對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分類(lèi)，并依此選擇合理支護(hù)形式的著名松動(dòng)圈理論［8－9］。項(xiàng)目組采用鉆孔攝像儀對(duì)圍巖松動(dòng)破碎進(jìn)行了觀測(cè)，分別取不同深度處的典型觀測(cè)結(jié)果如圖6～8。

圖6 測(cè)點(diǎn)頂板松動(dòng)圈觀測(cè)

圖7 測(cè)點(diǎn)左幫松動(dòng)圈觀測(cè)

圖8 測(cè)點(diǎn)右?guī)退蓜?dòng)圈觀測(cè)

根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論，當(dāng)松動(dòng)圈R≤1．5m時(shí)圍巖變形穩(wěn)定，根據(jù)工程實(shí)測(cè)，本巷道斷面圍巖松動(dòng)圈厚度大約為1．0m，圍巖變形較穩(wěn)定。

3．3 目前支護(hù)強(qiáng)度圍巖變形數(shù)值模擬

3．3．1 數(shù)值模型建立

本文采用ANSYS12．0軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體等于一體的大型有限元分析軟件，對(duì)于模擬地下結(jié)構(gòu)具有很好的應(yīng)用性。ANSYS數(shù)值計(jì)算模型如圖9，水平方向施加X(jué)方向約束，模型豎直方向底部施加Y方向約束，模型豎直方向上部施加原巖應(yīng)力作用。

圖9 數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

3．3．2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)ANSYS數(shù)值模擬，其在無(wú)支護(hù)和目前支護(hù)情況下的圍巖變形如下圖10～11所示:

圖10 無(wú)支護(hù)圍巖變形

圖11 目前支護(hù)圍巖變形

如果考慮采動(dòng)影響，采動(dòng)作用下圍巖變形如圖12（取采動(dòng)影響系數(shù)k＝3．0）。

圖12 采動(dòng)影響下圍巖變形

圖13 取消錨索支護(hù)圍巖變形

數(shù)值模擬結(jié)果表明:目前支護(hù)條件下，圍巖表面變形最大值為24mm，圍巖變形很小，即使考慮采動(dòng)影響，圍巖變形量最大值也僅為178mm，目前支護(hù)形式也能保證圍巖變形穩(wěn)定。

綜合工程實(shí)測(cè)圍巖變形，以及鉆孔攝像儀進(jìn)行松動(dòng)破碎觀測(cè)，可以得出該巷道圍巖變形較小，松動(dòng)圈厚度較小；同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬分析目前支護(hù)情況下圍巖表面變形較小，與容許值相差較大，因此我們得知:目前支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大，支護(hù)合理性差。

4 采用的合理支護(hù)形式

4．1 取消巷道頂板錨索支護(hù)

原巷道取消錨索支護(hù)，數(shù)值模擬得出的圍巖變形如圖13。比較圖11和圖13，可以看出:有無(wú)錨索支護(hù)條件下圍巖變形基本相同，說(shuō)明錨索支護(hù)作用效果不明顯，頂板錨索可以取消。

4．2 錨桿分二次支護(hù)

根據(jù)前述分析結(jié)果，即使將來(lái)考慮采動(dòng)影響，目前支護(hù)也能保持圍巖穩(wěn)定。數(shù)值模擬結(jié)果圖15表明:即使取錨桿間排距a＝b＝1400mm，圍巖變形最大值為52mm，圍巖變形仍能保持穩(wěn)定。為提高掘進(jìn)速度，可以將錨桿分2次施工，第1次施工錨桿間排距a＝b＝1400mm。距工作面后30－50m再在相鄰錨桿中間補(bǔ)打錨桿，使錨桿間排距縮小到a＝b＝700mm。巷道一次支護(hù)示意如圖16，二次支護(hù)后巷道支護(hù)如圖17。

圖14 錨桿間排距a＝b＝1400mm

圖15 初次錨桿支護(hù)圍巖變形

圖16 巷道斷面支護(hù)示意

圖17 巷道斷面二次支護(hù)示意

4．3 工程應(yīng)用

經(jīng)過(guò)工程實(shí)測(cè)，每打一根錨索需要20min，一根錨桿需要7min，取消錨索支護(hù)及錨桿分二次施工后，每循環(huán)作業(yè)時(shí)間可減少20%左右，明顯提高了掘進(jìn)速度，工程應(yīng)用效果很好。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）根據(jù)袁店二礦101采區(qū)運(yùn)輸上山及石門(mén)的具體工程實(shí)際，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到圍巖表面變形隨時(shí)間變化回歸方程；

（2）應(yīng)用鉆孔攝像儀進(jìn)行松動(dòng)圈破碎觀測(cè)，得到松動(dòng)圈破碎范圍，結(jié)合ANSYS數(shù)值模擬分析目前支護(hù)合理性，并得出其支護(hù)過(guò)大，支護(hù)合理性差。

（3）采用數(shù)值模擬進(jìn)一步確定了深部巖巷的合理二次支護(hù)參數(shù)，應(yīng)用工程實(shí)際效果明顯，提高掘進(jìn)速度。

1 袁啟新，張?chǎng)危疁\談巖巷快速掘進(jìn)的幾點(diǎn)做法［J］．山東煤炭科技，2010，（2）:182－183．

2 黃來(lái)順．淺談巖巷快速掘進(jìn)的幾點(diǎn)做法［J］．水力采煤與管道運(yùn)輸，2007，（3）:45－46．

3 薛潤(rùn)根．陰永生．優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù) 提高巷道掘進(jìn)速度［J］．山西焦煤科技，2011，（7）:4－8．

4 范映沖．提高復(fù)雜煤層回采巷道掘進(jìn)速度的技術(shù)途徑［J］．煤礦機(jī)電，，2013，（2）:79－82．

5 蘇旭．錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］．山西焦煤科技，2012，（4）:34－34＋46．

6 趙穎，詹召偉，沈建波．軟巖巷道礦壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法研究［J］．山東煤炭科技，2011，（4）:236－238．

7 何滿潮，景海河，孫曉明．軟巖工程力學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社，2002．

8 董方庭．巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論及應(yīng)用技術(shù)［M］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001．

9 董方庭，宋宏偉，郭志宏，等．巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論［J］．煤炭學(xué)報(bào)，1999，（1）:21－32．