復(fù)雜應(yīng)力條件下軟巖煤巷支護(hù)技術(shù)對(duì)比研究

孫 珞

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京市石景山區(qū)，100042)

煤層巷道軟巖頂板由多種節(jié)理化軟巖互層組成，結(jié)構(gòu)松散，局部含有硬巖條帶，多含煤線，強(qiáng)度低，難以支護(hù)。斷層附近易形成復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)，受斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響，斷層周圍圍巖破碎嚴(yán)重，應(yīng)力集中程度較大，穩(wěn)定時(shí)間短，需多次返修，巷道支護(hù)難題突出。軟巖巷道開挖后由三向應(yīng)力轉(zhuǎn)換為二向應(yīng)力，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，在巷道周圍產(chǎn)生張拉或剪切應(yīng)力區(qū)，通常采用傳統(tǒng)錨桿錨網(wǎng)索支護(hù)，在巷道周圍形成壓應(yīng)力區(qū)相互疊加，用以控制巷道圍巖的變形與穩(wěn)定。對(duì)于斷層影響下的軟巖巷道，只采用錨桿錨網(wǎng)索支護(hù)無法在破碎圍巖巷道的周圍形成平衡拱。若僅增加錨桿錨索預(yù)緊力，穩(wěn)定時(shí)間短，巷道維修頻繁，通過優(yōu)化錨網(wǎng)支護(hù)承載結(jié)構(gòu)可以有效控制巷道變形。

本文從增加錨網(wǎng)索預(yù)緊力及優(yōu)化整體錨網(wǎng)索支護(hù)承載結(jié)構(gòu)兩方面考慮，以古城煤礦1309工作面運(yùn)輸平巷掘進(jìn)面為工程背景，運(yùn)用高強(qiáng)預(yù)緊力錨網(wǎng)索桁架支護(hù)方式對(duì)復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)軟巖煤巷進(jìn)行支護(hù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)巷道變形進(jìn)行分析并優(yōu)化支護(hù)系統(tǒng)。

1 工程背景

古城煤礦1309工作面北鄰井田邊界，南鄰1310工作面(未開采)，西鄰運(yùn)輸上山和軌道上山，東鄰礦井未開采區(qū)域。1309工作面布置如圖1所示，采深490～560 m，地面標(biāo)高+54.7～+55.8 m，煤層厚度4.1 m，傾角4°～18°，煤層普氏硬度f=2～3，結(jié)構(gòu)簡單。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度4.1～4.5 m，塊狀結(jié)構(gòu)，巖石普氏硬度f=5～6。1309工作面運(yùn)輸平巷掘進(jìn)時(shí)揭露F2斷層，斷層傾角54°，落差20 m。斷層影響區(qū)內(nèi)的煤層巷道，在斷層構(gòu)造應(yīng)力的作用下易形成較大的塑性破壞區(qū)，巷道穩(wěn)定性較差。因此，本文采用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)高強(qiáng)預(yù)緊力錨網(wǎng)索桁架巷道支護(hù)進(jìn)行模擬分析，并設(shè)置巷道無支護(hù)、傳統(tǒng)錨桿支護(hù)作為對(duì)比組，研究并對(duì)比分析了3種不同支護(hù)方式下圍巖應(yīng)力及變形情況。

圖1 工作面布置圖

2 模型設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.1 模型建立

以古城煤礦1309工作面為背景，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別分析了巷道在無支護(hù)、傳統(tǒng)錨桿支護(hù)及錨網(wǎng)索桁架支護(hù)技術(shù)時(shí)的巷道圍巖變形。模型尺寸為300 m×96 m×82 m。模型頂端施加均布載荷12.7 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，水平側(cè)壓系數(shù)取0.5，水平應(yīng)力為7.4 MPa，利用摩爾庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，數(shù)值模擬模型示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為監(jiān)測(cè)斷層影響區(qū)下巷道掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力及變形，在巷道頂板及兩幫布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 巷道圍巖應(yīng)力及變形分布規(guī)律

3.1 復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道圍巖影響分析

隨著巷道向斷層推進(jìn)，受斷層復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力的影響，巷道周圍形成明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖3所示。由圖3可知，巷道掘進(jìn)至距斷層20 m時(shí)，巷道頂?shù)装寮扒胺綉?yīng)力峰值分別為31.47 MPa、29.68 MPa和32.95 MPa，巷道前方應(yīng)力集中程度明顯大于巷道頂?shù)装?，巷道周圍?yīng)力處于不規(guī)則分布狀態(tài)。

圖3 巷道掘進(jìn)時(shí)圍巖應(yīng)力分布云圖

3.2 無支護(hù)條件下巷道頂板變形情況

為優(yōu)化巷道支護(hù)方案及分析斷層對(duì)巷道的影響范圍，模擬了無支護(hù)狀態(tài)下，斷層下盤巷道向斷層推進(jìn)時(shí)及過斷層后的巷道圍巖變形情況如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出，斷層下盤巷道向斷層推進(jìn)時(shí)，巷道頂板巖層與斷層破碎帶之間形成倒鍥形結(jié)構(gòu)。受倒鍥形結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響，下盤巷道距斷層18 m處出現(xiàn)影響巷道變形最大點(diǎn)，斷層下盤巷道頂板，在距斷層0～40 m范圍內(nèi)位移變化較為明顯。

由圖5可以看出，巷道過斷層后，斷層破碎帶處巷道頂板出現(xiàn)明顯的冒頂現(xiàn)象。進(jìn)入斷層上盤后，在過斷層后0～40 m范圍內(nèi)頂板位移變化明顯。

圖4 巷道掘進(jìn)至斷層時(shí)頂板位移分布

圖5 巷道過斷層40 m頂板位移分布

無支護(hù)條件下巷道圍巖變形曲線如圖6所示。由圖6可以看出，無支護(hù)條件下巷道圍巖變形較為嚴(yán)重，斷層下盤巷道最大變形分別為475 mm、387 mm和336 mm，進(jìn)入斷層影響區(qū)后巷道變形速率迅速增加，斷層破碎帶附近頂板最大移近量為961 mm，左幫和右?guī)妥畲笠平糠謩e為841.8 mm和497 mm。巷道通過斷層破碎帶后，巷道圍巖變形速率逐漸減小，巷道圍巖變形穩(wěn)定在230～250 mm范圍內(nèi)。

圖6 無支護(hù)時(shí)巷道圍巖變形曲線

3.3 傳統(tǒng)錨桿支護(hù)條件下巷道圍巖變形情況

傳統(tǒng)巷道支護(hù)時(shí)巷道圍巖變形曲線如圖7所示。由圖7可以看出，采用傳統(tǒng)錨桿對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，巷道頂板及兩幫變形量較大，無法達(dá)到控制巷道圍巖變形的效果。斷層下盤巷道向斷層推進(jìn)時(shí)頂板、左幫、右?guī)偷淖畲笪灰屏糠謩e為128 mm、117 mm和112 mm。巷道掘進(jìn)至斷層破碎帶時(shí)，頂板、左幫、右?guī)偷淖畲笞冃挝灰品謩e為319 mm、273 mm和160 mm，巷道圍巖變形量較大，出現(xiàn)明顯的冒頂及片幫現(xiàn)象，左幫變形量大于右?guī)?。巷道穿過斷層后，巷道頂板、左幫、右?guī)偷淖畲笞冃挝灰品謩e為175 mm、126 mm和135 mm，巷道圍巖變形逐漸降低，受斷層影響，巷道右?guī)妥冃瘟看笥谧髱?。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，巷道圍巖變形量逐漸穩(wěn)定在60～80 mm范圍內(nèi)。

圖7 傳統(tǒng)巷道支護(hù)時(shí)巷道圍巖變形曲線

4 高強(qiáng)度預(yù)緊力桁架錨網(wǎng)索支護(hù)研究

受斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響，斷層附近存在破碎帶及斷層涌水現(xiàn)象。巷道頂板泥巖遇水軟化，形成低強(qiáng)度軟巖，傳統(tǒng)的支護(hù)方式無法控制巷道圍巖變形，采用合理的支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)可有效控制巷道的圍巖變形，達(dá)到預(yù)期支護(hù)效果。錨網(wǎng)索桁架支護(hù)技術(shù)具有極強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度，可有效控制頂板剪切破壞；桁架錨網(wǎng)索系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有利于煤巖體處于壓應(yīng)力狀態(tài)，錨固體抗變形能力得到提升。

4.1 巷道支護(hù)方案

支護(hù)方式為高強(qiáng)預(yù)緊力錨網(wǎng)索桁架支護(hù)，錨索采用隔排布置，規(guī)格為?17.8 mm×6000 mm；頂部錨索傾斜向上與水平線夾角為75°，幫部錨索傾斜向上與水平線夾角為25°，錨索最小破斷力為36 t。頂板錨桿采用?18 mm左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，桿長2200 mm，排間距850 mm，頂板布置5只錨桿，其頂部靠幫錨桿與垂直線成15°夾角，其他錨桿均與巷道頂邊輪廓線垂直布置。幫部錨桿排間距800 mm，幫部頂端和低端與水平線的夾角分別為25°和-25°，巷道周圍掛設(shè)10#鍍鋅鐵絲制作的單層金屬網(wǎng)。

4.2 巷道圍巖變形情況

高強(qiáng)預(yù)緊力錨網(wǎng)索桁架支護(hù)巷道圍巖變形曲線如圖8所示。由圖8可以看出，采用高強(qiáng)度預(yù)緊力桁架錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)可有效控制巷道圍巖變形。斷層下盤巷道向斷層推進(jìn)過程中，巷道頂板、左幫、右?guī)偷淖畲笪灰屏糠謩e為52 mm、47 mm和36 mm。進(jìn)入斷層破碎帶后，巷道圍巖出現(xiàn)明顯的變形，頂板、左幫、右?guī)偷淖畲笪灰屏繛?7 mm、95 mm和64 mm，左幫變形量大于頂板及右?guī)妥冃瘟?。巷道過斷層破碎帶后，巷道圍巖變形逐漸減小，頂板、左幫、右?guī)妥畲笪灰屏糠謩e為47 mm、46 mm和45 mm。這說明采用高強(qiáng)預(yù)緊力錨網(wǎng)索桁架支護(hù)技術(shù)對(duì)斷層影響范圍內(nèi)的巷道變形起到了有效的控制作用，特別是針對(duì)斷層破碎帶區(qū)域的支護(hù)效果極為明顯。

圖8 高強(qiáng)預(yù)緊力錨網(wǎng)索桁架支護(hù)巷道圍巖變形曲線

5 工程實(shí)踐

為監(jiān)測(cè)高強(qiáng)預(yù)緊力桁架錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)的效果及其支護(hù)參數(shù)的合理性，1309運(yùn)輸巷掘進(jìn)時(shí)，采用典型觀測(cè)斷面變形的方法，每隔一段距離布置一個(gè)觀測(cè)斷面，觀測(cè)結(jié)果如圖9所示，通過分析數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可知，斷層下盤巷道向斷層推進(jìn)時(shí)，頂板、左幫、右?guī)妥畲笪灰屏糠謩e為52 mm、47 mm和42 mm。進(jìn)入破碎帶后巷道頂板、左幫、右?guī)妥畲笪灰屏糠謩e為79 mm、98 mm和68 mm。過斷層進(jìn)入斷層上盤后，巷道頂板、左幫、右?guī)妥畲笪灰屏糠謩e為51 mm、46 mm和54 mm，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬基本吻合。由此可知，采用高強(qiáng)預(yù)緊力桁架錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)可有效控制斷層影響下的軟巖頂板煤巷變形。

圖9 巷道圍巖變形觀測(cè)變化曲線

6 結(jié)論

(1)無支護(hù)條件下，斷層上下盤巷道距斷層0～40 m范圍內(nèi)巷道圍巖變形較為明顯。斷層破碎帶附近的巷道變形速率迅速增加，巷道圍巖變形嚴(yán)重。在復(fù)雜應(yīng)力影響下，巷道周圍出現(xiàn)明顯的集中應(yīng)力現(xiàn)象，周圍應(yīng)力處于不規(guī)則分布狀態(tài)。

(2)通過對(duì)比分析可知，傳統(tǒng)支護(hù)方式對(duì)軟巖煤巷支護(hù)效果較差，而采用高強(qiáng)預(yù)緊力桁架錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)可滿足對(duì)復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)影響下的軟巖頂板煤巷圍巖變形控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盛天寶，王俊臣，郭建周.軟巖復(fù)合頂板突出煤層巷道耦合支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002(3)

[2] 王其洲，謝文兵，荊升國等.斷層構(gòu)造帶高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)[J].煤礦安全，2012(3)

[3] 孫?？?，施現(xiàn)院，常慶糧等.斷層影響下巷道頂板交替錨索支護(hù)體系研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016(S1)

[4] 王子越，孫維順，湯梁.受高水平構(gòu)造應(yīng)力影響的軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].中國煤炭，2015(12)

[5] 白啟樹.高應(yīng)力軟巖回采巷道應(yīng)預(yù)應(yīng)力錨桿—錨索支護(hù)技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué)，2014

[6] 尹站穩(wěn)，軒艷偉，姜佳政.斷層構(gòu)造帶高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].中州煤炭，2010(3)

[7] 張凱.化樂煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件軟巖巷道過斷層技術(shù)研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2014

[8] 李飛，董陽陽，張升凱等.深井大變形巷道可接長錨桿支護(hù)技術(shù)[J]. 煤礦安全，2015(3)