軌道巷軟弱圍巖變形控制研究

李 鑫

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)平定裕泰煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來隨著煤礦產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展和煤炭資源的不斷開采，煤礦逐漸進(jìn)入深部回采階段，而深部圍巖由于受到高地應(yīng)力的影響，自身強(qiáng)度相對(duì)較低且應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，導(dǎo)致深部回采中的巷道支護(hù)成為制約礦井生產(chǎn)安全的關(guān)鍵要素。鑒于此，開展針對(duì)性探究，研究高效且有針對(duì)性的深部軟巖巷道支護(hù)技術(shù)對(duì)于推動(dòng)礦井產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展意義重大。

1 工程概述

陽泉煤業(yè)集團(tuán)平定裕泰煤業(yè)有限公司西翼軌道大巷設(shè)計(jì)埋深超過700 m，巷道斷面為直墻半圓拱形，斷面凈尺寸為4 800 mm×4 100 mm。整個(gè)巷道為穿層全巖巷道，巖性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖為主。巷道初始支護(hù)設(shè)計(jì)方案采用普通錨網(wǎng)噴支護(hù)工藝，錨桿選用長(zhǎng)2 200 mm，直徑20 mm的等強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，每根錨桿末端使用MSK2370型樹脂錨固劑固定，以800 mm×800 mm的間排距進(jìn)行布設(shè)；錨索選用長(zhǎng)6 000 mm，直徑17.8 mm的鋼絞絲，末端使用三塊MSK2350型樹脂錨固劑進(jìn)行固定，相鄰錨索使用12號(hào)工字鋼充當(dāng)錨索梁，以2 000 mm×1 600 mm的間排距進(jìn)行布設(shè)；混凝土噴涂厚度為100mm，錨桿、錨索設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力分別為70kN和100kN。初始支護(hù)方案如圖1所示。但在巷道穿越泥巖層位時(shí)，原有支護(hù)措施失效，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)劇烈的變形破壞，對(duì)井下安全造成嚴(yán)重影響[1]。

2 深部軟巖巷道變形機(jī)理分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)深部軟巖巷道變形機(jī)理的有效分析，為更加合理支護(hù)方案的提出提供依據(jù)，采用數(shù)值模擬手段對(duì)XX礦西翼軌道大巷圍巖的變形失穩(wěn)過程進(jìn)行研究[2-3]。數(shù)值模擬中選擇巷道所在巖層沿線和垂直應(yīng)力作為變量，設(shè)計(jì)多個(gè)對(duì)比方案，開展對(duì)比分析。

圖1 初始支護(hù)方案示意圖（單位：mm）

2.1 模型構(gòu)建

依據(jù)陽泉煤業(yè)集團(tuán)平定裕泰煤業(yè)有限公司西翼軌道大巷實(shí)際地質(zhì)狀況，采用庫(kù)倫—摩爾準(zhǔn)則構(gòu)建相應(yīng)的三維計(jì)算模型，各地層材料物理學(xué)參數(shù)結(jié)合實(shí)際鉆探結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，整個(gè)模型尺寸為40m×1.6 m×40 m，巷道推薦方向以Z軸方向?yàn)檎较颍Ｐ蛢蓚?cè)施加水平約束，底部邊界施加固定約束[4]。如圖2所示即為所構(gòu)建數(shù)值模擬模型，圖中x，y，z分別代表三維坐標(biāo)軸的不同方向。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

將不同模擬解算結(jié)果依照頂板下沉、巷幫移近和底鼓進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，生成的曲線如下頁(yè)圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析曲線示意圖

通過對(duì)圖中數(shù)值模擬結(jié)果的分析不難發(fā)現(xiàn)，XX礦西翼軌道大巷變形破壞的主要誘因?yàn)槟鄮r強(qiáng)度不足和地應(yīng)力偏高。通過對(duì)比圖3中的曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直應(yīng)力介于10～15 MPa之間時(shí)，泥巖與砂質(zhì)泥巖的變形速率呈現(xiàn)出驟增的態(tài)勢(shì)，這表明軌道大巷在垂直應(yīng)力達(dá)到13.5 MPa時(shí)，便達(dá)到泥巖和砂質(zhì)泥巖的軟化臨界值[5]。隨著巷道的開挖會(huì)導(dǎo)致圍巖中應(yīng)力的重新分布，進(jìn)而在巷道周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得淺部泥巖在過臨界載荷的影響下發(fā)生碎脹變形并表現(xiàn)出軟巖流變特性。同時(shí)隨著圍巖裂隙向深部的持續(xù)拓展，塑性破壞范圍會(huì)持續(xù)增大使得圍巖進(jìn)入“軟化-破壞”的非良性循環(huán)中。此外，在巷道頂板淋水區(qū)域內(nèi)，圍巖在地下水滲透影響下，自身強(qiáng)度進(jìn)一步降低，使得圍巖變形破壞現(xiàn)象進(jìn)一步加重。鑒于此，必須在提高圍巖力學(xué)特性的同時(shí)對(duì)圍巖裂隙的拓展予以有效抑制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)軟巖巷道的有效控制[6-7]。

3 支護(hù)控制措施分析

結(jié)合井下實(shí)際支護(hù)需求和相關(guān)支護(hù)理念，提出“錨網(wǎng)索噴+注漿”的聯(lián)合支護(hù)工藝，其主要參數(shù)選擇如下：

3.1 初次錨網(wǎng)索噴支護(hù)

錨桿：巷道全斷面選用長(zhǎng)2 400 mm，直徑20 mm的無縱筋高強(qiáng)度錨桿，錨桿布設(shè)間排距為1 000 mm×1 000 mm，每根錨桿使用2塊MSK2370型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固。

錨索：巷道幫部以上選用長(zhǎng)8 000 mm，直徑17.8 mm的鋼絞絲；幫部選用長(zhǎng)3 500 mm，直徑17.8 mm的鋼絞絲，錨索布設(shè)排間距為2 000 mm×2 000 mm。相鄰的錨索使用14號(hào)槽鋼充當(dāng)錨索梁進(jìn)行連接，布設(shè)時(shí)沿巷道中心線交錯(cuò)邁步布設(shè)。

噴混凝土：使用標(biāo)號(hào)為R42.5的硅酸鹽水泥進(jìn)行噴設(shè)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C20，噴層厚度為100 m。

金屬網(wǎng)：選用5號(hào)鋼筋焊接而成，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm，單片網(wǎng)格規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm。

底鼓處置：使用25號(hào)U型鋼制作反底拱梁，并使用長(zhǎng)2 400 mm，直徑20 mm的高強(qiáng)度錨桿穿過反底拱梁預(yù)留孔后，錨緊反底拱梁。反底拱梁布設(shè)間距為1 000 mm，上面澆筑厚600 mm的C30混凝土。

3.2 錨注加固支護(hù)

選用MLX50-27型中控螺旋注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)3 000 mm，直徑27 mm，布設(shè)間排距為1 000 mm×1 000 mm，同初次支護(hù)錨桿間隔布設(shè)。注漿時(shí)機(jī)應(yīng)當(dāng)結(jié)合軌道巷泥巖層變形破壞特征進(jìn)行確定，通常為巷道開挖后15～20 d。最終支護(hù)斷面示意圖如圖4所示。

圖4 最終支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

4 支護(hù)效果分析

為對(duì)支護(hù)效果的合理性進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)巷道頂板下沉量、兩幫累積移近量和底鼓量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道內(nèi)共布設(shè)監(jiān)測(cè)站5個(gè)，每個(gè)間隔50 m，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)結(jié)果示意圖

由圖5分析可知，監(jiān)測(cè)期間圍巖最終變形量與變形速率均值均不大，只有初始支護(hù)方案的1/3，其中頂部下沉量最大值為245 mm，巷幫移近量和底鼓量最大值分別為210 mm和102 mm。其相對(duì)應(yīng)的變形速率均值分別為2.57mm/d、2.35mm/d和1.17mm/d。這表明所采用的新型支護(hù)方式對(duì)深部軟弱圍巖的變形實(shí)現(xiàn)了有效控制，提升了圍巖強(qiáng)度和整體性，對(duì)井下生產(chǎn)作業(yè)的安全開展提供了堅(jiān)實(shí)保障。

5 結(jié)語

深部開采是煤礦行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部軟弱巖層巷道的有效支護(hù)，是確保井下生產(chǎn)作業(yè)安全的關(guān)鍵前提。礦井管理者應(yīng)當(dāng)充分重視這一問題，組織專業(yè)力量，充分結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)際，探尋具有針對(duì)性的深部軟弱巖巷控制工藝，從而為整個(gè)礦井綜合效益的提升提供保障。