某礦-650 m水平大巷軟弱破碎圍巖支護方案優(yōu)化設(shè)計

馬 輝

（汾西礦業(yè)集團賀西煤礦， 山西 柳林 033300）

1 工程概況

1.1 巷道圍巖

某礦-650 m水平車場巷道位于礦井北三采區(qū)皮帶下山-650 m處，該車場巷道設(shè)計長220 m，坡度為0°。巷道斷面形狀為直墻半圓拱，凈寬為5.2 m，巷寬為5.44m，凈高為4.5m，巷道掘進面積為21.95 m2，巷道凈面積為20.49 m2。-650 m水平車場巷道布置如圖1所示。該車場巷道為穿巖層巷道，各煤巖層整體為傾向南東的單斜構(gòu)造，巖層傾角16°～27°，平均 20°。

圖1 -650 m水平下車場巷道布置平面圖

-650 m水平車場頂?shù)装鍘r層較復雜，表1為3煤頂?shù)装鍘r性特征表。

1.2 -650 m軌道大巷原有支護方案

-650 m軌道大巷采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護，所用的支護材料主要為錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梯、錨索以及噴射混凝土，錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm，混凝土噴厚為120 mm。巷道每排安裝5根錨索，分別由巷道中心線偏移1 600 mm。

表1 3煤頂?shù)装鍘r層巖性表

1.3 -650 m南翼回風大巷原有支護方案

該巷道主要采用錨網(wǎng)索梁梯噴聯(lián)合支護的支護方式，支護材料與軌道大巷相同。錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm，混凝土噴厚為120 mm。巷道每排安裝2根錨索，安裝位置分別為巷道中心線偏移1 600 mm。

1.4 -650 m南翼皮帶大巷原有支護方案

該巷道布置位于3煤頂板巖層內(nèi)，巷道部分穿過3煤，水平標高-650 m。該巷道采用錨網(wǎng)索梁梯噴聯(lián)合支護。錨桿間排距為800 mm×800 mm，錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm，混凝土噴厚為120 mm。巷道每排安裝3根錨索，分別由巷道中心線偏移1 600 mm。

-650 m水平三條大巷在采用上述支護方案后，支護效果不理想，出現(xiàn)了嚴重的巷道內(nèi)擴現(xiàn)象，導致各巷道無法發(fā)揮各自功能，嚴重影響了煤礦的正常生產(chǎn)。大巷經(jīng)加固修復后，支護效果仍不明顯。因此，提出針對該實際情況的支護優(yōu)化方案是該礦亟待解決的問題。

2 -650 m水平軌道大巷支護方案數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立及模擬方案

-650 m水平軌道大巷的仿真模型長40 m，寬32 m，高40 m。根據(jù)各巖性的實際情況，對模型中各巖層賦予不同的力學參數(shù)。本構(gòu)模型設(shè)定為摩爾-庫侖模型。各側(cè)面及底面均固定，防止其產(chǎn)生位移干擾模擬結(jié)果，模型上表面施加相當于650 m巖土自重應(yīng)力的荷載，大小為16 MPa，水平應(yīng)力取垂直應(yīng)力的1.3倍，施加大小為21 MPa的載荷，模擬深部巖體的水平應(yīng)力[1-3]。

由于該軌道大巷圍巖較軟弱破碎，原有支護方案的支護效果很不理想，而且原有的支護方案未對巷道底板進行處理，導致巷道四周的圍巖應(yīng)力向底板轉(zhuǎn)移，造成巷道嚴重底鼓的現(xiàn)象。根據(jù)平衡支護技術(shù)所述，設(shè)計考慮支護的同時，添加巷道底板圍巖支護，控制底板圍巖變形。因此，設(shè)計決定對巷道底板施工反底拱，將巷道臥底400 mm，并將巷道兩底角施工成拱形，以減小兩底角部位的應(yīng)力集中；嵌套25U型鋼構(gòu)成反底拱梁，并在U型鋼兩側(cè)各打一排底板錨桿，每排錨桿與底板呈70°夾角，平衡掉來自巷道底板圍巖的應(yīng)力；最后，以巖土層覆蓋，完成整個反底拱的施工。本次研究模擬相同地質(zhì)條件下采用三種不同的支護方案支護巷道時的圍巖變形情況，根據(jù)計算結(jié)果對比三種不同支護方案的支護效果[4-5]。模擬支護方案如下：

方案1：該方案為-650 m水平軌道大巷原有的支護方案，其支護效果不理想，采用該方案后，巷道出現(xiàn)圍巖內(nèi)擴現(xiàn)象，不但延誤了井下生產(chǎn)作業(yè)，還增加了支護費用。該方案的模擬結(jié)果可作為方案對比時的參考，另外兩種模擬結(jié)果中的圍巖位移都應(yīng)比該方案的小一些。

方案2：該方案在方案1的基礎(chǔ)上增加了支護密度，分別在頂板和兩幫增加了錨桿支護，以減小支護結(jié)構(gòu)受力，限制巷道頂板及兩幫圍巖的位移。同時，該方案調(diào)整了錨桿的安裝位置，增加了巷道底角錨桿，以減小巷道底角部位圍巖的位移。

方案3：該方案在方案2的基礎(chǔ)上增加了錨索支護，即在巷道兩底角上方增加錨索支護，并對巷道進行反底拱及底板支護的施工，即：將巷道臥底400 mm，并將巷道兩底角施工成拱形；沿底板嵌入U型鋼作反底拱梁，穿過每排U型鋼施加底板錨桿；最后以巖土層覆蓋。

運用FLAC 3D模擬構(gòu)建的仿真模型分別采用以上三種支護方案時，由所得的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：當模型施加方案1的支護方式時，巷道兩幫圍巖最大水平位移為92.4 mm，巷道頂板圍巖最大垂直位移為63.6 mm，底板圍巖最大垂直位移為110.3 mm，巷道圍巖內(nèi)擴現(xiàn)象比較明顯。當模型施加方案2時，巷道兩幫圍巖最大水平位移為55.3 mm，頂板圍巖最大垂直位移為30 mm，底板圍巖最大垂直位移為60 mm，與方案1的結(jié)果相比，巷道圍巖內(nèi)擴現(xiàn)象有所緩解，可見方案2的支護效果好于方案1。當模型施加方案3時，巷道兩幫圍巖的最大水平位移為36.2 mm，頂板圍巖最大垂直位移為38.4 mm，底板圍巖最大垂直位移為24.3 mm。與方案1的結(jié)果相比，巷道圍巖變形很小，支護效果好于方案1；與方案2的結(jié)果相比，底板圍巖位移量有所下降，但頂板下沉量有些許增大，因此方案3可用于支護底板巖性較軟的巷道。經(jīng)過以上分析可知，-650 m水平軌道大巷采用方案2和方案3都可有效地支護巷道圍巖，且圍巖支護效果明顯好于原有的支護方案。

2.2 軌道大巷支護方案

根據(jù)模擬結(jié)果分析，共為-650 m軌道大巷設(shè)計兩套支護方案。兩套方案均為錨網(wǎng)索噴支護，支護材料為：金屬網(wǎng)、鋼筋梯、錨桿、錨索、混凝土噴漿，方案1不做底板處理，方案2對地板進行反底拱施工。兩方案主要作為軌道大巷下一階段掘進支護方案，一般情況下采用方案1，當掘進揭露圍巖條件較差，巖體泥化變軟、節(jié)理裂隙發(fā)育等情況時采用方案2。

2.3 回風大巷支護方案優(yōu)化設(shè)計

同樣，-650 m回風大巷也設(shè)有兩套方案，一般情況下采用方案1，掘進揭露圍巖條件較差時采用方案2。

當巷道掘進揭露圍巖條件較差時，可按照上述大巷支護方案中的反底拱施工法進行底板處理。

3 支護效果觀測

3.1 支護效果觀測方案

圖2 支護效果觀測測點布置圖

本次支護效果觀測主要測量巷道的表面位移，即兩幫移近量和頂?shù)装逡平?。觀測區(qū)域主要位于-650 m水平軌道大巷內(nèi)，共設(shè)置4個測點，分別編號為1—4號測點，測點布置如圖2所示。每個測點為1個觀測斷面，每個斷面的兩幫及頂?shù)追謩e安設(shè)對齊的測釘，每隔一段時間用測槍及塔尺測量巷道兩幫及頂?shù)装彘g的距離，觀察距離隨時間的變化，可檢驗支護方案是否成功。

3.2 觀測結(jié)果分析

1）大巷1號測點頂?shù)装逦灰坪苄?，若忽略測量誤差可認為該斷面頂?shù)装鍑鷰r未發(fā)生變形。兩幫位移變化也較小，最大位移為9.5 mm，之后趨于穩(wěn)定。由此可以看出，該段巷道圍巖較為穩(wěn)定，支護效果良好。

2）大巷2號測點頂?shù)装鍘缀鯖]有發(fā)生變形。兩幫位移變化也較小，最大位移為2 mm，之后趨于穩(wěn)定。由此可以看出，該段巷道圍巖變形很小，支護效果良好。

3）大巷3號測點頂?shù)装逦灰坪芪⑿?。巷道兩幫圍巖最大移近量為42 mm，比之前幾個斷面稍大些，但之后趨于穩(wěn)定。由于該段巷道進行過臥底操作，導致該測點位移變化呈驟變狀態(tài)后趨于穩(wěn)定，在此期間的頂?shù)装逦灰茰y量取修正值。

4）大巷4號測點頂?shù)讎鷰r幾乎沒有變形，巷道兩幫圍巖最大移近量為36 mm，并逐漸趨于穩(wěn)定?？梢?，該段巷道變形較小，支護方案合理。

4 結(jié)論

1）當掘進過程中地質(zhì)條件較差、圍巖變軟、節(jié)理裂隙發(fā)育時，應(yīng)對巷道底板進行反底拱施工處理，以穩(wěn)定巷道底部圍巖，減小巷道變形，供下一步大巷的掘進支護使用。

2）本文提出的設(shè)計方案適合該礦的實際條件，可應(yīng)用于支護該礦巷道。