煤礦軟巖巷道支護(hù)研究

趙東峰

摘 要：本文結(jié)合雞西榮華立井煤礦具體實(shí)例，對其東主運(yùn)輸巷道破壞變形的特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，探討深部高應(yīng)力軟巖巷道的破壞機(jī)理，提出解決深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：軟巖；機(jī)理分析；FLAC3D；聯(lián)合支護(hù)；預(yù)應(yīng)力；全錨索

1.巷道變形破壞特征及現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)已施工的東主運(yùn)輸巷道現(xiàn)場觀測，該巷道頂板巖層下沉量大，兩幫內(nèi)變形嚴(yán)重，底臌現(xiàn)象明顯。為了掌握巷道變形規(guī)律，對已經(jīng)維修后的東主運(yùn)輸巷道進(jìn)行變形監(jiān)測，共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測面，分別取頂?shù)装迮c兩幫四點(diǎn)，用于測量頂?shù)装迮c兩幫的移近量?，F(xiàn)選取第一監(jiān)測面，監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，東主運(yùn)輸巷道圍巖變形明顯，監(jiān)測前期累積變化量較大，雖然監(jiān)測后期增長量減少，但仍保持增長的趨勢。監(jiān)測期間，頂?shù)装蹇傋冃瘟考s350mm，兩幫總變形量約200mm。這表明U型鋼支架支護(hù)方式對東主運(yùn)輸軟巖巷道的圍巖控制沒有起到良好的效果，不能保持巷道圍巖的穩(wěn)定。

2.巷道破壞機(jī)理分析

2.1 軟巖性質(zhì)分析

在東主運(yùn)輸巷道工作面采樣，巖石試樣如表一所示，采用D/MAX射線衍射儀對試樣進(jìn)行礦物成分分析，結(jié)果表明，該巷道圍巖粘土礦物含量較高，是典型的膨脹性軟巖。此類巖石遇水極易引起軟化、崩解及膨脹等現(xiàn)象，從而加快了巷道圍巖的變形破壞。

2.2高地應(yīng)力影響分析

研究表明重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要成因，地應(yīng)力的大小和方向?qū)ο锏婪€(wěn)定性影響較大。采用鉆孔窺視儀檢測東主運(yùn)輸巷道圍巖構(gòu)造，結(jié)果表明，該巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越地層數(shù)目較多，地層傾角20°左右，地壓突出，個(gè)別地段處于破碎帶，裂隙節(jié)理多。巷道在上覆巖層自重力和復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下，圍巖破壞明顯。

2.3 原支護(hù)方式不合理

東主運(yùn)輸巷道建設(shè)前期采用錨噴支護(hù)方式，巷道嚴(yán)重變形破壞。維修過程中采用U型支架支護(hù)，支護(hù)效果也不理想。這是由于原支護(hù)方式?jīng)]有使軟巖巷道的塑性能量充分釋放，從而出現(xiàn)大部分錨桿由于錨固端的破壞而整體失效、U型支架破壞變形、巷道頂?shù)装迤茐膰?yán)重，底膨現(xiàn)象突出等情況。在巷道原支護(hù)方案中，并未對底板和底角采取有效的防護(hù)措施，致使支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱帶，導(dǎo)致底板圍巖應(yīng)力集中并產(chǎn)生顯著地塑性變形，加劇了巷道支護(hù)的結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞。

3.支護(hù)對策

通過對東主運(yùn)輸巷道復(fù)雜的地質(zhì)條件以及巷道破壞機(jī)理的分析，為此提出“預(yù)應(yīng)力全錨索加固+反底拱+注漿加固”技術(shù)方案。施工圖如圖2所示。

具體參數(shù)如下：

（1）高強(qiáng)度鋼絞線預(yù)應(yīng)力錨索，長度為6m，間排距800×800，直徑17.2mm，錨固力20t。

（2）錨索托盤為1/20礦用工字鋼，長度為300mm。

（3）錨索樹脂藥巷用量4卷/根。

（4）金屬網(wǎng)用8鐵線編制成網(wǎng)，網(wǎng)眼50×50mm，規(guī)格1.0×200m/片。

（5）噴射栓厚度150mm，強(qiáng)度C15。

（6）反底拱采用衍梁架雙拱結(jié)構(gòu)。

4.數(shù)值模擬

4.1 建立模型

采用FLAC3D模擬分析軟件，根據(jù)榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道底層深度和地質(zhì)情況及巷道分布、斷面大小計(jì)算得出，模型尺寸400×36m×60m[7]。地層采用Mohr-Coulomb模型、巷道開掘深度650m，單元總數(shù)168092個(gè)。巖層傾角20 o ，巷道共穿過不同巖層9層。兩側(cè)面限制水平位移及自由度，地面限制水平、垂直位移及自由度。

4.2 模擬分析

當(dāng)巷道采用預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)方案后，采用Cable單元模擬錨索，Shell單元模擬C15混凝土。模擬過程中對巷道進(jìn)行了選點(diǎn)位移監(jiān)測，為方便觀察，將模型進(jìn)行切塊處理，截取斷面7處，截取厚度10 m，各監(jiān)測點(diǎn)均為多節(jié)點(diǎn)跟蹤（每點(diǎn)周圍跟蹤6～9個(gè)節(jié)點(diǎn)）取其平均值。監(jiān)測結(jié)果表明：頂板位移80mm，兩幫水平收縮16mm，腰線水平收縮90mm，底板位移20mm。預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)方案對于東主運(yùn)輸巷道圍巖起到了良好的支護(hù)效果，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和承載能力，模擬結(jié)果表明該支護(hù)方案參數(shù)選擇較合理，較好的控制了圍巖的變形。

5.結(jié)論

（1）對榮華煤礦東主運(yùn)輸巷道的破壞機(jī)理分析結(jié)果表明：膨脹性軟巖、高地應(yīng)力及復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、原支護(hù)方式不合理是巷道圍巖破壞變形的主要影響因素。采用柔性支護(hù)方式，用高強(qiáng)度鋼絞線代替錨桿，允許圍巖產(chǎn)生一定的塑性變形。采用桁架雙拱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)底角和底板支護(hù)，抑制底板的大面積底鼓 。

（2）提出“預(yù)應(yīng)力全錨索加固+反底拱+注漿加固”聯(lián)合技術(shù)方案，并運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，模擬結(jié)果表明該支護(hù)方案可以有效控制頂板變形，加入反底拱結(jié)構(gòu)后，底臌現(xiàn)象減少。由于軟巖蠕變效應(yīng)，仍有少量位移，但可保證正常生產(chǎn)，說明采用預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)技術(shù)，加反底拱結(jié)構(gòu)合理有效。

參考文獻(xiàn)：

[2]何滿潮，錢七虎.深部巖體力學(xué)基礎(chǔ) [M].科學(xué)出版社，2010.

[3]張輝，康紅普等.深井巷道底板預(yù)應(yīng)力錨索快速加固技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，（4）：16—19+23.