深部高應(yīng)力巷道支護方案優(yōu)化研究

李海龍

（同煤集團，山西 大同 037000）

隨著煤礦開采深度的增加，深井高應(yīng)力巷道增多，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)[1-3]。煤礦巷道受采動影響破壞嚴重，而這些巷道大都處于圍巖強度較低的沉積巖層中，地質(zhì)構(gòu)造復雜，支護難度較大[4-5]。

1 概況

東周窯礦山4#層南膠帶大巷北接南部采區(qū)大巷，東、南、西三側(cè)為未開拓區(qū)，上覆為店灣木代村煤礦侏羅系13#層小窯采空區(qū)，層間距約255m，現(xiàn)開采山4#煤層，平均厚度2.3m，平均埋深437m。大巷沿山4#煤層底板布置，巷道掘進后變形嚴重，頂板為砂質(zhì)泥巖，頂板下沉量最大達900mm，嚴重影響了礦井的正常生產(chǎn)。

2 圍巖破壞機理

2.1 圍巖巖性分析

在東周窯礦山4#層南膠帶大巷抽取巖芯，進行物理力學參數(shù)測定，分析巷道變形機理。鉆孔柱狀圖如圖1所示。

圖1 鉆孔柱狀圖

從圖1可以看出，煤層的頂?shù)装寰鶠槟鄮r、砂巖，巷道變形以蠕變?yōu)橹?。因此，巷道支護需要有一定的可塑性支護，巷道將來會受到采動影響，又需考慮一定的剛性支護。

2.2 松動圈測定

巷道圍巖松動圈理論已經(jīng)成為巷道支護和維修的主要依據(jù)。松動圈的大小與巷道圍巖的穩(wěn)定性及支護的難易程度密切相關(guān)?，F(xiàn)采用U510非金屬超聲波檢測儀進行雙孔探測，測試結(jié)果如表1所示。

表1 松動圈測試

3 支護參數(shù)

根據(jù)巷道變形機理和松動圈測試結(jié)果，設(shè)計采用錨網(wǎng)索噴支護方案。

錨桿型號為Ф22×2500mm，間排距800×800mm，每根錨桿配合1條Z2388和1條CK2360樹脂錨固劑。錨桿托盤由100×100×10mm的鋼板制成。錨索型號為Ф17.8×8000mm預應(yīng)力錨索，間排距2000×1600mm。金屬網(wǎng)采用Ф6.5鋼筋焊接而成，規(guī)格100×100mm。噴射混凝土、鋪底混凝土強度為C25。

圖2 錨桿錨索支護布置圖（單位：mm）

巷道擴面后，首先噴射50mm混凝土，包括巷道底板也同時進行混凝土噴射，以保證及時支護頂板。普通錨桿施工4排之后，再噴50mm混凝土。

4 數(shù)值模擬

利用FLAC3D建立巷道支護的數(shù)學模型，進行支護效果數(shù)值模擬。

4.1 模型建立

選取一個40m×40m的正方形區(qū)域，巷道位于模型的正中央。在自重應(yīng)力條件下，對底邊約束垂直方向位移，對左右兩側(cè)邊界施加水平方向約束，在模型的頂部施加垂直地應(yīng)力。巖石力學參數(shù)為容重 =25.77kN/m3，變模E=4.52GPa，粘聚力C=4.25MPa，摩擦角=45°，泊松比 =0.25。

4.2 計算結(jié)果分析

（1）無支護巷道位移

無支護條件下，巷道最大位移云圖如圖3所示。巷道開挖后垂直最大位移為580mm，水平最大位移約為320mm。垂直位移比較大，如果不進行支護將會發(fā)生冒頂事故。巷道周圍水平應(yīng)力和垂向應(yīng)力均有拉應(yīng)力出現(xiàn)，范圍較大，最大水平拉應(yīng)力為2.55MPa，最大水平壓應(yīng)力為12.6MPa，最大垂向拉應(yīng)力為1.44MPa，最大垂直壓應(yīng)力為33.6MPa，剪應(yīng)力的最大值10.2MPa。巷道周邊產(chǎn)生拉應(yīng)力，巷道無法維護，導致巷道垮塌惡性事故發(fā)生。

圖3 無支護巷道位移云圖

（2）支護后模擬結(jié)

由圖4可得，進行巷道支護后，巷道垂直最大位移為56.6mm，水平最大位移約為21.3mm。相對于無支護的位移大大降低。在巷道周邊水平和垂向應(yīng)力均在支護范圍內(nèi)，與無支護對比可以看出，錨網(wǎng)索噴支護很好地改善了巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

圖4 支護后巷道位移云圖

5 支護效果監(jiān)測

巷道支護結(jié)束后，選取原變形嚴重處安裝2組測站，間距為10m，分別為1#站和2#站，每周觀測、記錄一次結(jié)果。從第1周至第10周，1#站處巷道兩幫沒有回縮，頂?shù)装逑鄬ξ灰?1mm，平均每天頂?shù)装寤乜s0.12mm；2#站處巷道左幫回縮12mm，平均每天回縮0.13mm，右?guī)突乜s13mm，平均每天回縮0.14mm，頂?shù)装逑鄬ξ灰?2mm，平均每天回縮0.13mm。

從觀測結(jié)果可以看出巷道兩幫及頂?shù)装逵休^小的回縮，但不影響巷道正常使用，錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護方式取得了良好的支護效果。