南山煤礦軟巖巷道恒阻控制對(duì)策研究

吳永純

(龍煤集團(tuán)鶴崗礦業(yè)公司，黑龍江 鶴崗 154100)

南山煤礦軟巖巷道恒阻控制對(duì)策研究

吳永純

(龍煤集團(tuán)鶴崗礦業(yè)公司，黑龍江 鶴崗 154100)

摘要：本文通過對(duì)南山煤礦東部區(qū)工程地質(zhì)條件和工程現(xiàn)狀的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域巷道發(fā)生變形破壞的范圍大，具有頂板下沉量大、兩幫變形嚴(yán)重且呈明顯的不對(duì)稱性、底臌等特征，因此在對(duì)該區(qū)域軟巖巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，應(yīng)使用既要滿足在巷道變形初期能及時(shí)阻止圍巖變形，又要滿足能夠持續(xù)性的吸收圍巖釋放出的巨大能量的支護(hù)材料，并且還要解決底臌變形嚴(yán)重的問題。并據(jù)此有針對(duì)性的提出了以NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿(索)+底腳錨管索為支護(hù)方案的巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策，根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和圍巖性質(zhì)建立相應(yīng)的工程地質(zhì)模型，通過FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)支護(hù)對(duì)策的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。最后以南山礦東部區(qū)-120總回風(fēng)巷為工程背景，將傳統(tǒng)支護(hù)方式和新支護(hù)方案進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用對(duì)比，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果證明了支護(hù)方案的合理性。

關(guān)鍵詞：軟巖巷道支護(hù)；數(shù)值模擬；變形破壞機(jī)理；NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿

鶴崗礦區(qū)煤炭的開采具有70多年的歷史，是位于黑龍江鶴崗的一個(gè)老礦區(qū)，隨著范圍和開采強(qiáng)度的不斷增加，陸續(xù)進(jìn)入深部開采，巷道圍巖出現(xiàn)明顯的軟巖特性，具有高應(yīng)力、巖石強(qiáng)度低、巖體極為破碎等特點(diǎn)[1-6]。南山煤礦東部區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，部分巖層間屬于不整合接觸；南山煤礦東部區(qū)現(xiàn)已采用U36型鋼架支護(hù)、低預(yù)應(yīng)力普通錨網(wǎng)索支護(hù)等支護(hù)方式，但支護(hù)效果都不理想，支護(hù)之后都不同程度的進(jìn)行了返修，并且一部分巷道需要返修多次，支護(hù)極其困難[7-8]。各種災(zāi)害對(duì)深部軟巖地區(qū)煤炭資源的安全高效生產(chǎn)造成巨大的威脅[9-12]，如何對(duì)該區(qū)軟巖巷道實(shí)施有效的控制，保證巷道在服務(wù)期間正常使用，是南山煤礦亟待解決的生產(chǎn)難題。

1巷道變形破壞特征

南山煤礦東部區(qū)軟巖巷道的圍巖變形可以分成兩個(gè)重要階段：第一個(gè)階段是在開挖之后巷道形成初期的大變形，巷道揭露之后，含水層中的水流出，帶有大量粘土性礦物的膨脹性軟巖與水接觸，這種軟巖會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生泥化，從而產(chǎn)生大變形效應(yīng)；第二階段大變形的產(chǎn)生是由于該區(qū)地應(yīng)力很大并且圍巖較為破碎，在沒有合適的適應(yīng)軟巖大變形的支護(hù)方式下，圍巖變形的能量無法得到釋放、不斷的累積，大變形進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖1　巷道變形破壞模式

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，南山礦東部區(qū)軟巖巷道變形破壞(圖1)呈現(xiàn)以下特征：①變形范圍大，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，東部區(qū)巷道均有發(fā)生大變形災(zāi)害，大部分巷道在支護(hù)幾個(gè)月之內(nèi)就變形嚴(yán)重，支護(hù)段均出現(xiàn)軟巖大變形現(xiàn)象；②巷道的變形破壞的程度非常嚴(yán)重，巷道圍巖巖體強(qiáng)度低，且遇水泥化現(xiàn)象嚴(yán)重。在現(xiàn)場所見，巷道兩幫變形能夠達(dá)到1000mm以上，頂板下沉600mm以上，不僅僅機(jī)械設(shè)備等的通行受到極重的影響，而且對(duì)工作人員的安全是非常大的安全隱患；③巷道圍巖由于地質(zhì)構(gòu)造影響，應(yīng)力非常集中，支護(hù)體與巷道圍巖在強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)上變形不協(xié)調(diào)，從而使得支護(hù)體被個(gè)個(gè)擊破，支護(hù)體失效的范圍和數(shù)量隨之增多，剩下的支護(hù)體更加無法抵抗巷道變形，最終造成巷道整體發(fā)生破壞；④巷道變形呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性，巷道右?guī)妥冃瘟棵黠@大于巷道左幫的變形量，而且從新開拓不久的巷道進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，巷道右?guī)偷幕炷羾妼影l(fā)生破壞脫落的現(xiàn)象明顯早于左幫，不對(duì)稱性明顯。

2巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策

根據(jù)南山礦東部區(qū)總回風(fēng)巷-120巷道數(shù)值運(yùn)算的結(jié)果分析，可以將錨桿支護(hù)體與巷道圍巖的作用關(guān)系概述如下所示。

根據(jù)對(duì)南山礦東部區(qū)軟巖巷道變形破壞特征的分析可知，在對(duì)該區(qū)巷道軟巖進(jìn)行支護(hù)時(shí)，既要滿足在巷道變形初期能阻止巷道圍巖變形，也要滿足能夠持續(xù)性的吸收圍巖釋放出的巨大能量的材料，并且還要解決底臌嚴(yán)重的問題，現(xiàn)據(jù)此提出NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿(索)+底腳錨管索的巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策，具體的支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)見圖3、圖4。

圖2　NPR恒阻錨桿支護(hù)斷面圖(未標(biāo)注單位：mm)

圖4　NPR恒阻錨索和底腳錨管索支護(hù)斷面圖(未標(biāo)注單位：mm)

錨桿采用恒阻值為20t的NPR恒阻錨桿，長度3000mm，間排距為800mm×800mm，平行布置；錨索采用恒阻值為35t的NPR恒阻錨索，長度8000mm，間排距為1600mm×1600mm，與錨桿相互錯(cuò)開布置；底角錨管索中錨索采用恒阻值為35t的NPR恒阻錨索，長度5000mm，平行且下傾45°布置，間排距為500mm×800mm，安裝套管并灌注混凝土以此固定錨固端。

3數(shù)值模擬分析

本文以鶴崗礦區(qū)南山煤礦東部區(qū)南部-120總回風(fēng)巷現(xiàn)場工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立模型，確定計(jì)算模型的尺寸長×寬×高=30m×40m×40m，巖層的傾角設(shè)置為20°，巷道布置沿著巖層走向并處于灰白色中砂巖層中，沒有穿過其他巖層，數(shù)值模擬的工程地質(zhì)模型見圖4。模型由六面體單元構(gòu)成，該模型共劃分97440個(gè)單元，103478個(gè)節(jié)點(diǎn)，該模型底部固定，限制側(cè)面水平移動(dòng)，模型的上表面為應(yīng)力邊界，施加的荷載為12MPa，南山煤礦東部區(qū)巷道設(shè)計(jì)巷道斷面形狀為直墻半圓拱形斷面，斷面尺寸為凈寬×凈高=4400mm×3500mm，毛斷面寬×高=4600mm×3600mm，該斷面形狀在南山煤礦得到廣泛應(yīng)用。

圖4　工程地質(zhì)模型

3.1圍巖位移場分布規(guī)律分析

從圖5可以看出，采用新方案支護(hù)后，巷道兩幫的最終移近量為196mm，頂?shù)装遄罱K移近量為197mm，并且底臌變形控制為40mm，該變形量在巷道允許變形的范圍之內(nèi)，不影響巷道的正常使用，巷道的穩(wěn)定性得到很好的控制。

3.2圍巖應(yīng)力場分布規(guī)律分析

從圖6可以看出，在使用NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿(索)+底腳錨管索支護(hù)方案后巷道圍巖的應(yīng)力集中區(qū)域的范圍減小顯著，應(yīng)力集中的程度降低。

3.3圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律分析

從圖7可以看出，采用NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿(索)+底腳錨管索支護(hù)之后，各個(gè)方向上的塑性區(qū)范圍控制在錨桿(索)固定范圍之內(nèi)，肩部和底腳塑性區(qū)顯著減小，巷道圍巖變形得到有效控制。

3.4支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

從圖8可以看出，在巷道穩(wěn)定之后，錨桿(索)的受力達(dá)到材料的恒阻值，錨桿能夠持續(xù)的發(fā)揮支護(hù)作用。

通過數(shù)值計(jì)算的結(jié)果分析，可以得出：NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿和錨索在巷道支護(hù)的初期提供的高預(yù)應(yīng)力能夠抵抗巷道的變形，并且隨著巷道圍巖變形的增大，NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿和錨索能夠保持恒定的阻力，在持續(xù)的變形的過程中吸收和消耗圍巖的變形能，巷道最終穩(wěn)定時(shí)兩幫位移和頂板下沉得到有效控制，而底腳錨管索有效的切斷底板水平應(yīng)力的傳遞，底臌得到很好的改善，NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿(索)+底腳錨管索的支護(hù)方法能使巷道的穩(wěn)定性得到顯著提高。

圖5　圍巖位移場分布圖

圖6　圍巖應(yīng)力場分布圖

4工程應(yīng)用效果

以南山礦東部區(qū)南部-120總回風(fēng)巷為工程背景，在現(xiàn)場進(jìn)行工程應(yīng)用，采用三種方案進(jìn)行支護(hù)：普通錨網(wǎng)索支護(hù)、U型鋼支護(hù)和NPR恒阻錨桿(索)+底腳錨管索支護(hù)。為了驗(yàn)證對(duì)比各支護(hù)方案的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)以及其施工工藝的合理性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中的不安全因素，同時(shí)為了能夠更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝，對(duì)巷道圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測，在普通錨網(wǎng)索支護(hù)段設(shè)置兩組觀測站(A測站和B測站)，在U型棚支護(hù)段設(shè)置兩組觀測站(C測站和D測站)，在NPR恒阻錨桿(索)+底腳錨管索支護(hù)段設(shè)置四組測站(1～4#測站)，現(xiàn)場測站的平面布置圖如圖7所示。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，分別繪制出各個(gè)測站的巷道頂?shù)装逦灰坪蛢蓭臀灰茣r(shí)間曲線(圖10、圖11)。

圖7　圍巖塑性區(qū)分布圖

圖8　支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖

圖9　現(xiàn)場施工及監(jiān)測布置圖

圖10　各測站頂?shù)装錟-t關(guān)系曲線

圖11　各測站兩幫U-t關(guān)系曲線

由圖10和圖11可知，采用普通錨網(wǎng)索支護(hù)方案支護(hù)巷道，最終巷道兩幫變形量約為1000mm，頂?shù)装逦灰屏考s為800mm，其均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了該巷道的允許變形范圍，影響安全和正常生產(chǎn)；采用U36鋼架壁后澆筑方案支護(hù)巷道，巷道兩幫變形量約為680mm，頂?shù)装逦灰屏考s為460mm，該變形量也超出了該巷道的允許變形范圍，對(duì)安全和生產(chǎn)造成不利影響；而采用NPR恒阻錨桿(索)支護(hù)，巷道頂?shù)装逡平考s為190mm，兩幫變形量約為140mm，均在允許變形的范圍內(nèi)，不會(huì)影響巷道的穩(wěn)定性。

5結(jié)論

1)對(duì)南山煤礦東部區(qū)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件、現(xiàn)場軟巖巷道工程支護(hù)條件以及支護(hù)的效果的綜合分析可知，東部區(qū)在現(xiàn)有支護(hù)條件下，巷道變形破壞范圍大，有頂板下沉量大、兩幫變形嚴(yán)重且呈明顯的不對(duì)稱性、底臌的特征。

2)根據(jù)南山礦東部區(qū)軟巖巷道變形破壞特征的分析，在對(duì)該區(qū)巷道軟巖進(jìn)行支護(hù)時(shí)，既要滿足在巷道變形初期能阻止巷道圍巖變形，也要滿足能夠持續(xù)性的吸收圍巖釋放出的巨大能量的材料，并且還要解決底臌嚴(yán)重的問題，現(xiàn)據(jù)此提出NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿(索)+底腳錨管索的巷道穩(wěn)定性控制對(duì)策。

3)根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和圍巖性質(zhì)建立相應(yīng)的工程地質(zhì)力學(xué)模型，對(duì)NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿(索)+底腳錨管索控制對(duì)策進(jìn)行數(shù)值分析，驗(yàn)證了該方案的合理性。

4)以南山煤礦東部區(qū)南部-120總回風(fēng)巷為現(xiàn)場，同時(shí)對(duì)兩種傳統(tǒng)支護(hù)方式和新設(shè)計(jì)方案進(jìn)行工程實(shí)踐，通過實(shí)際監(jiān)測，進(jìn)一步驗(yàn)證了NPR高預(yù)應(yīng)力恒阻錨桿(索)支護(hù)的合理性和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計(jì)與施工指南[M]．北京：科學(xué)出版社，2004．

[2]何滿潮，齊干，程騁等.深部復(fù)合頂板煤巷變形破壞機(jī)制及耦合支護(hù)設(shè)計(jì)[J]． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(5)：987-993.

[3]何滿潮，高爾新.軟巖巷道耦合支護(hù)力學(xué)原理及其應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1998(2)：1-4．

[4]何滿潮.深部軟巖工程的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(8)：1409-1417.

[5]何滿潮，楊軍，齊干.深部軟巖巷道耦合支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(1)：40-43.

[6]謝和平.深部高應(yīng)力下的資源開采—現(xiàn)狀、基礎(chǔ)科學(xué)問題與展望[C]// 香山科學(xué)會(huì)議主編.科學(xué)前沿與未來(第六集).北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002：179-191.

[7]孟慶江.南山煤礦動(dòng)壓巷道變形破壞機(jī)理及支護(hù)對(duì)策[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2012.

[8]呂恒榮.南山煤礦斷層構(gòu)造帶深部軟巖支護(hù)技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2012.

[9]李夕兵，古德生.深井堅(jiān)硬礦巖開采中高應(yīng)力的災(zāi)害控制與碎裂誘變[C]//香山科學(xué)會(huì)議主編.科學(xué)前沿與未來(第六集).北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002：101-108.

[10]Zhibiao Guo，Xiaojie Yang，Yunpeng Bai，etcs.Erqiang.LiA study of support strategies in deep soft rock：The horsehead crossing roadway in Daqiang Coal Mine[J].International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(5)：665-667 .

[11]陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[12]尹傳理，李化敏.我國煤礦深部開采問題探討[J].煤礦設(shè)計(jì)，1998(8)：7-11.

Study on constant resistance control measures of soft rock roadway in Nanshan Coal Mine

WU Yong-chun

(Hegang Mining Company，Longmay Mining Holding Group，Hegang 154100，China)

Abstract:Based on the engineering geological conditions and the engineering status of the eastern areas of Nanshan coal mine, this paper Summarize and analyze the characteristics of the region：in the large range of roadway deformation failure there are two sides of large amount of roof subsidence and serious drum-up of deformation of floor and obvious asymmetry，and come to a conclusion that when supported in the area of soft rock roadway we should not only meet at the beginning of the deformation of roadway can prevent deformation of roadway surrounding rock, also to satisfy to continuous absorption of the great energy release of surrounding rock materials, floor drum up. The way to resolve the serious problem that prestresses specially roadway stability control countermeasures is NPR high prestressed constant resistance bolt (anchor) + corner anchor. According to the site engineering geological conditions and surrounding rock properties of the corresponding engineering geological mechanics model is set up .Then verifies the correctness of support countermeasures by numerical simulation FLAC3D; finally uses two traditional support forms and the new support contrast at-120 roadway in Nanshan coal mine and detects the supporting effect, site monitoring results demonstrates the reasonableness of support programs.

Key words：soft rock roadway support；numerical simulation；deformation mechanism；NPR constant resistance high prestressed bolt

收稿日期：2015-07-16

作者簡介：吳永純(1962-)，男，1983年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院采煤工程專業(yè)，2012年7月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司鶴崗礦業(yè)公司副總工程師。

中圖分類號(hào)：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)06-0091-04