破碎軟巖支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究

李 新

（山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

伊田煤業(yè)由于巷道埋深較深，礦山壓力較大，且巷道圍巖較為破碎軟弱，圍巖變形劇烈，頂板圍巖管理難度較大。針對(duì)該礦井的地質(zhì)條件，選用不同的支護(hù)方式進(jìn)行數(shù)值模擬分析對(duì)比，從而確定合理的支護(hù)方案。

1 工程背景

伊田煤業(yè)主采2號(hào)煤層，煤層埋深640m，上距1號(hào)煤10.91～13.00m，煤層厚2.5～3.35m，平均2.98m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中下部含一層夾石，頂板為泥巖，底板為粉砂巖，屬全井田穩(wěn)定可采煤層。

回采巷道斷面一般采用矩形斷面，寬4.0m，高3m，巷道布置在2號(hào)煤層中。

2 數(shù)值模型的建立及方案的確定

2.1 模型的建立

采用Mohr-Coulomb材料模型，巷道采用null單元模擬。巷道斷面為矩形，模型尺寸為100m×40m×68m。巷道埋深H取640m。巷道模擬計(jì)算所涉及到的圍巖巖層，均在實(shí)測(cè)巷道現(xiàn)場(chǎng)取樣。模型假設(shè)各巖層為均質(zhì)、各向同性材料。模型邊界條件：采用笛卡爾三維坐標(biāo)系，對(duì)模型的底部、左側(cè)、右側(cè)和前、后部設(shè)置法向約束邊界，對(duì)模型的上部邊界施加的作用視為均布荷載q，即上覆巖層的自重 。

2.2 方案的確定

考慮該礦實(shí)際條件，針對(duì)其巖層破碎軟弱的性質(zhì)，確定了以下四種支護(hù)方案，分別為：

方案一：錨網(wǎng)支護(hù)方案。錨桿規(guī)格為高強(qiáng)螺紋鋼Φ20×2200mm，每個(gè)斷面內(nèi)5根頂錨桿，距離巷幫400mm，均勻布置在巷道頂板，間排距為800×800mm；每個(gè)斷面內(nèi)8根幫錨桿，布置于距離巷道頂板300mm、距離巷道底板300mm之間，錨桿水平布置，間排距為800×800mm。

方案二：錨網(wǎng)+頂板錨索支護(hù)方案。錨桿規(guī)格為高強(qiáng)螺紋鋼Φ20×2200mm，每個(gè)斷面內(nèi)5根頂錨桿，距離巷幫400mm，均勻布置在巷道頂板，間排為800×800mm；每個(gè)斷面內(nèi)8根幫錨桿，布置于距離巷道頂板300mm、距離巷道底板300mm之間，錨桿水平布置，間排距為800×800mm。錨索規(guī)格為Φ15.24×7000mm，為了增大支護(hù)強(qiáng)度，錨索采用隔排布置的形式，間排距為1600mm×1600mm。

方案三：錨網(wǎng)+頂板錨索+巷幫錨索支護(hù)方案。錨桿規(guī)格為高強(qiáng)螺紋鋼Φ20×2200mm，每個(gè)斷面內(nèi)5根頂錨桿，距離巷幫400mm，均勻布置在巷道頂板，間排為800×800mm；每個(gè)斷面內(nèi)8根幫錨桿，布置于距離巷道頂板300mm、距離巷道底板300mm之間，錨桿水平布置，間排距為800×800mm。錨索規(guī)格為Φ15.24×7000mm，頂錨索的間排距為1600mm×1600mm，幫錨索在巷幫中央布置，排距為1600mm。

方案四：錨網(wǎng)索+注漿支護(hù)方案。錨桿規(guī)格為高強(qiáng)螺紋鋼Φ20×2200mm,每個(gè)斷面內(nèi)5根頂錨桿，距離巷幫400mm，均勻布置在巷道頂板，間排距為800×800mm；每個(gè)斷面內(nèi)8根幫錨桿，布置于距離巷道頂板300mm、距離巷道底板300mm之間，錨桿水平布置，間排距為800×800mm。錨索規(guī)格為Φ15.24×7000mm，頂錨索的間排距為1600mm×1600mm，幫錨索在巷幫中央布置，排距為1600mm。注漿錨桿以1600mm×1600mm的間排距均勻布置在巷道頂板，抗拉強(qiáng)度250kN，封孔采用快硬水泥藥卷。

3 數(shù)值模型結(jié)果分析

3.1 破碎軟巖巷道不同支護(hù)方案圍巖應(yīng)力特征分析

圖1 不同支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力云圖

圖1（a）為錨網(wǎng)支護(hù)下的垂直應(yīng)力云圖，由圖可知，錨網(wǎng)支護(hù)后，應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步向兩幫淺部轉(zhuǎn)移，巷道底板區(qū)域卸壓較為嚴(yán)重。圖1（b）為錨網(wǎng)+頂板錨索支護(hù)下的垂直應(yīng)力云圖，由圖可知，通過(guò)錨索補(bǔ)強(qiáng)，使得頂板垂直應(yīng)力卸壓范圍降低，底板卸壓深度也有一定的減小，支護(hù)效果比錨網(wǎng)支護(hù)更好。但是從垂直應(yīng)力圖中同樣可以看出頂?shù)装寮跋飵蛧鷰r的應(yīng)力集中現(xiàn)象并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改變。圖1（c）為錨網(wǎng)+頂板錨索+巷幫錨索支護(hù)下的垂直應(yīng)力云圖，由圖可知，加上巷幫錨桿以后，巷幫圍巖和頂?shù)装鍑鷰r的應(yīng)力集中現(xiàn)象和采用錨網(wǎng)+頂板錨索支護(hù)的效果基本上相似。圖1（d）為錨網(wǎng)+頂板錨索+注漿支護(hù)條件下巷道圍巖應(yīng)力云圖，由圖可知，錨網(wǎng)+頂板錨索+注漿支護(hù)彌補(bǔ)了錨網(wǎng)+頂板錨索支護(hù)對(duì)松散圍巖控制的不足，進(jìn)行底板注漿支護(hù)后，兩幫卸壓區(qū)域基本消失，同時(shí)底板卸壓區(qū)域銳減，兩幫應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步向淺部轉(zhuǎn)移。

因此可以得知，通過(guò)采用錨網(wǎng)+頂板錨索支護(hù)配合頂板注漿支護(hù)，大范圍改善了巷道圍巖的力學(xué)特性，提高巷道圍巖尤其是底板的承載能力，使得巷道形成了穩(wěn)定均一的承載圈。

3.2 不同支護(hù)方案圍巖變形特征分析

對(duì)不同支護(hù)方案的圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不同支護(hù)條件下巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平繀R總為表1。

分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)巷道進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)后，巷道頂板下沉量為800.00mm，頂板下沉量控制了20.49%，但是效果依然達(dá)不到設(shè)計(jì)工作的需求，巷道變形仍然較為嚴(yán)重。

在錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)以后，巷道頂板下沉量減小到了606.78mm，控制住了39.70%的移近量，支護(hù)效果明顯見(jiàn)效。

在錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)以后，再在巷幫打一排錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，頂板下沉量減小到了600.00mm，控制住了40.37%的移近量，支護(hù)效果明顯，但和采用錨網(wǎng)+頂板錨索支護(hù)的方式相比，頂板的下沉量?jī)H多控制了0.67%，并且巷幫水平位移并沒(méi)有明顯的改善，所以巷幫錨索支護(hù)的效果不是很明顯。

在方案三的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)，即對(duì)巷道頂板和巷幫進(jìn)行注漿支護(hù)。巷道圍巖頂板下沉量減小到了280.97mm，控制了72.08%的下沉量。巷道圍巖進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，巷道頂板最大變形2.39%，可見(jiàn)錨網(wǎng)+頂板錨索+注漿支護(hù)對(duì)控制巷道的變形非常有效，對(duì)于伊田煤業(yè)煤礦的特殊地質(zhì)條件是較為有效的支護(hù)方案。

4 結(jié)論

以伊田煤業(yè)2號(hào)煤層破碎軟巖巷道為研究背景，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，分別對(duì)4種支護(hù)方案進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，采用提高圍巖自身強(qiáng)度的錨注支護(hù)在提高圍巖自承載能力、控制巷道圍巖位移等方面均優(yōu)于單純的錨桿支護(hù)和錨索支護(hù)，四種方案支護(hù)效果按從好到壞的順序?yàn)椋哄^網(wǎng)+頂板錨索+注漿支護(hù)＞錨網(wǎng)+頂板錨索+巷幫錨索支護(hù)＞錨網(wǎng)+頂板錨索支護(hù)＞錨網(wǎng)支護(hù)，因此選定“錨網(wǎng)+頂板錨索+注漿支護(hù)”方案為最佳支護(hù)方案。

表1 不同支護(hù)條件下巷道頂板下沉量表