深部破碎巖層巷道支護(hù)技術(shù)研究

董尹庚

(神華包頭礦業(yè)有限責(zé)任公司 李家壕煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

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深部破碎巖層巷道支護(hù)技術(shù)研究

董尹庚

(神華包頭礦業(yè)有限責(zé)任公司 李家壕煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

[摘要]針對(duì)深部破碎巖層巷道支護(hù)困難的問(wèn)題，探討了深部圍巖耦合支護(hù)機(jī)理：二次承載圈通過(guò)一次支護(hù)錨桿錨固端為一次承載圈提供力源；一次承載圈對(duì)二次承載圈的變形進(jìn)行約束，阻止二次承載圈內(nèi)圍巖進(jìn)一步破壞；一次承載圈和二次承載圈的協(xié)調(diào)變形能夠壓實(shí)、強(qiáng)化一次承載圈，釋放二次承載圈的部分變形能。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)巷道支護(hù)合理性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：巷道兩幫應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯降低、屈服范圍大大減小，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康玫搅擞行Э刂啤?/p>

[關(guān)鍵詞]深部破碎巖層巷道；承載圈；數(shù)值模擬

在深部巖體中進(jìn)行開(kāi)挖后，巷道圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中，在深部高地應(yīng)力作用下巷道圍巖產(chǎn)生破壞。由于深部巖石的“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜環(huán)境，使深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)均發(fā)生根本性變化[1-3]。王衛(wèi)軍提出了采用高強(qiáng)錨桿、強(qiáng)力錨索、注漿加固巷道的高阻讓壓和高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)，并確定了各支護(hù)階段的支護(hù)時(shí)間[4]。劉泉聲采用分步聯(lián)合支護(hù)，掘進(jìn)工作面幫頂超前支護(hù)、一次支護(hù)和二次支護(hù)互相配合，噴錨注等多種手段共同實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖施工安全和圍巖穩(wěn)定的控制[5]。祁和剛等提出了采用地應(yīng)力原位測(cè)量，分析地應(yīng)力與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系及破壞原因，確定了巷道的支護(hù)參數(shù)[6]。余偉健等提出由錨桿支護(hù)壓縮拱和密集錨索支護(hù)壓縮拱構(gòu)成的承載體力學(xué)模型，推導(dǎo)了一次支護(hù)和二次支護(hù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度方程[7]。由于深部破碎巖層巷道的復(fù)雜性，盡管相關(guān)學(xué)者針對(duì)深部巷道支護(hù)技術(shù)的研究取得了一定的成果，但仍需進(jìn)一步研究深部破碎巖層巷道的支護(hù)。

本文分析了兩次支護(hù)各自對(duì)圍巖的力學(xué)作用，探討了雙承載結(jié)構(gòu)間力學(xué)作用關(guān)系，提出了深部破碎圍巖巷道支護(hù)方案。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)深部巷道圍巖應(yīng)力分布、破壞變形規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)支護(hù)的方案進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果可為深部破碎巖層巷道支護(hù)提供參考。

1深部破碎巖層巷道支護(hù)存在的問(wèn)題

實(shí)踐表明，深部巷道圍巖通常會(huì)在巷道周?chē)a(chǎn)生一定深度的“破碎圈”。破碎的圍巖導(dǎo)致支護(hù)施工困難、支護(hù)效果較差。因此深部巷道應(yīng)對(duì)此類巷道進(jìn)行研究，進(jìn)而確定相應(yīng)的支護(hù)控制技術(shù)。

1.1深部巷道圍巖條件分析

對(duì)李雅莊礦355運(yùn)輸大巷調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖具有薄層狀、碎裂、松散、膨脹、強(qiáng)風(fēng)化蝕變和高地應(yīng)力作用等特征，屬于典型的軟巖巷道。巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　巖層力學(xué)參數(shù)

1.2深部巷道支護(hù)存在的問(wèn)題

深部巷道由于其埋藏較深，巷道圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，很難通過(guò)目前的支護(hù)材料實(shí)現(xiàn)一次性支護(hù)控制其圍巖變形。可用如圖1所示支護(hù)體-圍巖共同作用關(guān)系曲線解釋。

圖1　支護(hù)體-圍巖共同作用關(guān)系曲線

如圖1中，對(duì)于一般巷道，支護(hù)材料極限破壞強(qiáng)度大于所支護(hù)圍巖可施加的圍巖壓力，通常情況下可以通過(guò)一次支護(hù)對(duì)圍巖變形進(jìn)行控制。對(duì)于深部巷道(由深部巷道不支護(hù)變形階段、深部巷道一次支護(hù)變形階段、深部巷道二次支護(hù)變形階段三部分構(gòu)成)，一次支護(hù)后支護(hù)材料的臨界破壞強(qiáng)度仍小于達(dá)到巷道變形施加的圍巖壓力，因此通常需要二次支護(hù)。

盡管深部巷道在一次支護(hù)后不能完全控制圍巖的變形，但是一次支護(hù)后圍巖整體的承載性能發(fā)生了改變，圍巖特性曲線也發(fā)生了變化。此時(shí)，巷道圍巖變形除了與圍巖的力學(xué)性質(zhì)及地壓特點(diǎn)有關(guān)，還與一次支護(hù)材料、支護(hù)形式有關(guān)。

可以看出：較早地施加支護(hù)可以較早地改變特性曲線，提高支護(hù)體利用率；由于一次支護(hù)后巷道圍巖性質(zhì)發(fā)生了改變，在一次支護(hù)后圍巖適當(dāng)變形卸壓后進(jìn)行二次支護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖變形的控制。

在確定支護(hù)方式后，應(yīng)當(dāng)對(duì)支護(hù)材料、支護(hù)技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性地研究。

2深部破碎巖層巷道變形及支護(hù)機(jī)理

2.1深部巖層巷道支護(hù)技術(shù)

由于巷道具有強(qiáng)風(fēng)化、蝕變、破碎、松散的特征，因此對(duì)于破碎圍巖巷道首先考慮提高破碎圍巖整體的自承能力，并阻斷圍巖表面與水和空氣的接觸。在頂板和側(cè)幫上部使用焊接網(wǎng)或金屬網(wǎng)及大變形錨桿進(jìn)行支護(hù)，并加噴混凝土(厚50mm左右)，阻止破碎巖體垮落。其中，錨桿支護(hù)提高巖塊間的擠壓力，增加了巖塊間的嚙合程度，提高圍巖破碎區(qū)域整體強(qiáng)度；錨網(wǎng)及噴漿提高了巷道表面的完整性，改變了圍巖的受力狀態(tài)。

產(chǎn)房、保育及育肥前期是最需要保暖的地方，特別要注意豬舍溫度的穩(wěn)定，不能溫差過(guò)大 （不超過(guò)5℃），造成仔豬應(yīng)激，引起疾病。保育和產(chǎn)房要儲(chǔ)備一定量的電熱板和取暖燈，以防有損壞并能及時(shí)的補(bǔ)充上。育肥前期的豬只可鋪墊草或墊板取暖。同時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備額外的例如燃油暖風(fēng)機(jī)等臨時(shí)加溫機(jī)器，以備臨時(shí)升溫用。

由于巷道圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，一次支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度往往不足以控制圍巖的破壞，因此巷道深部圍巖發(fā)生較大變形并進(jìn)入塑性區(qū)，在本礦表現(xiàn)為圍巖破碎范圍增大。在巷道變形相對(duì)穩(wěn)定后，應(yīng)當(dāng)選擇合理的支護(hù)方式，對(duì)巷道進(jìn)行二次支護(hù)。選用注漿錨桿及錨索進(jìn)行支護(hù)，注漿實(shí)現(xiàn)了在巷道破碎帶圍巖形成一個(gè)整體性較好、足夠強(qiáng)度的自撐承壓環(huán)。

此外，如圖2所示，二次支護(hù)還采用錨索支護(hù)，使錨桿支護(hù)形成的承載拱與深部圍巖聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)更大范圍利用圍巖自承能力的承載圈抵抗深部高應(yīng)力。而二次支護(hù)的支護(hù)力和破碎圈外完整圍巖變形可以對(duì)一次錨桿支護(hù)破碎圈提供更大的壓實(shí)作用力，提高一次支護(hù)承載圈的承載強(qiáng)度。

圖2　雙承載拱耦合作用機(jī)理

2.2深部破碎巖層巷道雙承載拱支護(hù)機(jī)理

雙承載圈的作用機(jī)理為：一次支護(hù)錨桿錨固端為一次承載圈提供力源；一次承載圈對(duì)二次承載圈的變形進(jìn)行限位約束，阻止二次承載圈內(nèi)圍巖進(jìn)一步破壞；一次承載圈和二次承載圈的協(xié)調(diào)變形壓實(shí)、強(qiáng)化了一次承載圈，釋放了二次承載圈的部分變形能。

疊加拱承載能力可按下式計(jì)算[5]：

(1)

通過(guò)公式(1)結(jié)合地應(yīng)力原位測(cè)試或支護(hù)后巷道變形監(jiān)測(cè)等手段可以對(duì)錨桿錨索長(zhǎng)度、參數(shù)進(jìn)行合理選型。

3深部巷道支護(hù)模擬分析

采用FLAC3D軟件，模型為彈塑性材料，依據(jù)摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則對(duì)礦井355大巷進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型尺寸為巷道軸部方向20m，水平方向40m，高度方向35m。

巷道布置在煤層頂板中，平均埋深500m。在模型頂部采用均布載荷的方式對(duì)模型進(jìn)行加載。

3.1一次支護(hù)前巷道變形破壞分析

一次支護(hù)前巷道變形破壞如圖3所示。由圖3可知，頂板破壞深度2.0m，底板破壞深度1.0m，兩幫破壞范圍1.5m，據(jù)此結(jié)合相關(guān)理論確定頂錨桿長(zhǎng)度應(yīng)取2.5m，幫錨桿長(zhǎng)度應(yīng)取2.0m。

圖 3　一次支護(hù)前巷道鉛垂應(yīng)力及屈服范圍

可以看出，深部巷道在不支護(hù)的狀態(tài)下圍巖破壞范圍較大。因此，模擬在巷道圍巖中打錨桿，進(jìn)行一次支護(hù)；適當(dāng)變形后在頂板打錨桿及錨索對(duì)頂板進(jìn)行二次支護(hù)。

3.2合理支護(hù)后深部巷道變形破壞分析

經(jīng)過(guò)對(duì)未支護(hù)深部巷道應(yīng)力分布、圍巖破壞變形進(jìn)行多種方案的模擬、比較，選擇如圖4的方案對(duì)深部巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)。

圖4　深部巷道支護(hù)方案

巷道以錨網(wǎng)及表面噴漿的方式進(jìn)行支護(hù)，提高圍巖自承能力。一次支護(hù)主要控制破碎圈內(nèi)的圍巖，適當(dāng)變形后，補(bǔ)打注漿錨桿及錨索以實(shí)現(xiàn)對(duì)一次承載圈的補(bǔ)強(qiáng)和二次承載圈的形成。兩幫的支護(hù)考慮密集注漿錨桿支護(hù)的方式進(jìn)行護(hù)幫，抵抗高應(yīng)力下的屈服破壞。

深部巷道支護(hù)下巷道垂直應(yīng)力及屈服范圍見(jiàn)圖5。由圖5可得頂板破壞深度為1.0m，底板破壞深度為0.8m，兩幫破壞深度為0.8m。對(duì)比可知巷道兩幫應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯降低、屈服范圍大大減小，說(shuō)明支護(hù)方案對(duì)強(qiáng)化承載圈支護(hù)強(qiáng)度起到了作用，支護(hù)對(duì)兩幫的進(jìn)一步破壞起到了抑制作用，兩幫采用錨桿支護(hù)可以很好地對(duì)巷道變形起到作用。

圖5　深部巷道支護(hù)下巷道垂直應(yīng)力及屈服范圍

數(shù)值模擬表明：支護(hù)后巷道頂板下沉量最大為28.47mm；左幫移近量65.0mm。頂?shù)装搴蛢蓭鸵平康玫搅擞行У乜刂疲锏绹鷰r處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4結(jié)論

(1)深部巷道圍巖的變形很難通過(guò)一次支護(hù)得到完全控制，但是由于支護(hù)后圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變，被支護(hù)圍巖強(qiáng)度提高，圍巖整體的承載性能提高，圍巖中高應(yīng)力得到釋放，降低了對(duì)支護(hù)強(qiáng)度的要求，在一次支護(hù)后圍巖適當(dāng)變形卸壓后二次支護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖變形的控制。

(2)對(duì)于破碎圍巖巷道首先考慮提高破碎圍巖整體的自承能力，采用錨桿支護(hù)提高巖塊間的擠壓力，增加了巖塊間的摩擦力，提高圍巖破碎區(qū)域整體強(qiáng)度；錨網(wǎng)及噴漿提高了巷道表面的完整性，改變了圍巖的受力狀態(tài)。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬無(wú)支護(hù)條件下的巷道圍巖破壞情況得到了巷道支護(hù)方案，數(shù)值模擬表明使用該方案巷道變形量較小，支護(hù)方案可行。

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[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Supporting Technology of Roadway with Cracked Strata in Deep

DONG Yin-geng

(Lijiahao Coal Mine，Shenhua Baotou Mining Co.，Ltd.，Ordos 017000，China)

Abstract：In order to solve the difficulty supporting problems of roadway with cracked strata in deep，the coupling supporting mechanism of surrounding rock in deep was discussed，force resource of the first bearing ring was provided by anchored point of the first supporting，which located in the second bearing ring.The second bearing ring deformation was prohibited by the first bearing ring，the damage of surrounding rock around the second bearing ring was prohibited，the first bearing ring could be strengthen with coordinated deformation of two of bearing rings，partial deformation energy of the second bearing ring was relaxed.Supporting rationality was validated by numerical simulation.The results showed that the stress concentration of two sides and yield scope decreased sharply，roof sag and two sides convergence was controlled effectively.

Keywords：roadway with cracked strata in deep；bearing ring；numerical simulation

[中圖分類號(hào)]TD353

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)01-0056-03

[作者簡(jiǎn)介]董尹庚(1962-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，碩士，采礦高級(jí)工程師，礦長(zhǎng)，現(xiàn)從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(51574114)

[收稿日期]2015-06-26

巷道支護(hù)理論與技術(shù)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.015

[引用格式]董尹庚.深部破碎巖層巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(1)：56-58，17.