斜溝煤礦軟巖巷道支護技術(shù)試驗研究*

鐘 誠，吳 瓊

(1.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

我國煤炭產(chǎn)量大，每年巷道掘進進尺多達6 000 km以上，深部高應力軟巖巷道占據(jù)10%以上[1]。由于多年來的開采，淺部易開采的煤炭資源日益減少，導致不得不轉(zhuǎn)向開采深部煤炭資源[2]。由于深部軟巖煤礦具有巷道失修率高、支護極其困難等難題[3]，假如未能實施有效的支護工藝以減小巷道的變形，將導致軟巖巷道的修護成本增加，甚至會引發(fā)事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，破壞社會的穩(wěn)定和安全生產(chǎn)的良好局面。因此研究經(jīng)濟合理的支護工藝成為深部高應力軟巖巷道亟需解決的難題[4]。

我國科研工作者對松軟巖巷道支護技術(shù)開展了大量的研究工作，王國強等[5]在小康煤礦S2S2工作面通過采取高強錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架技術(shù)，巷道變形減小，未發(fā)生冒頂、片幫隱患事故，充分發(fā)揮了圍巖承載能力，取得良好的支護效果。丁向勇等[6]通過對蔣家河煤礦ZF1410工作面支護方式進行優(yōu)化，現(xiàn)場實測結(jié)果證明：優(yōu)化的支護方案使巷道變形速度減慢，巷道變形得到有效控制。尹光志等[7]通過研究白皎煤礦井下高應力軟巖巷道采用3種不同的支護工藝，現(xiàn)場結(jié)果證明：適合高應力軟巖巷道最佳的支護方式是預留剛隙柔層支護方法，即錨梁網(wǎng)+拱形支架聯(lián)合支護方式。柏建彪等[8]在古漢山煤礦西大巷開展試驗研究，采用高水速凝材料注漿加固遇水弱化、膨脹的泥巖，確定最佳二次支護時間的工藝，顯著減小深部軟巖巷道的大變形。

本文根據(jù)斜溝煤礦18209皮帶巷的具體條件，采用“高強錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架及壁后充填”的支護技術(shù)[9]，解決了18209皮帶巷巷道變形速度快且破壞嚴重，頂板變形嚴重且有大量墜袋產(chǎn)生，巷道底臌凸起明顯，變形破壞大，屈服破斷了支護構(gòu)件[10]等問題，同時借助ANSYS數(shù)值模擬軟件對比分析原支護方案和優(yōu)化后方案的支護效果，并開展現(xiàn)場試驗實測18209皮帶巷支護效果，給高應力軟巖巷道支護提供一定的科學依據(jù)[11-13]。

1 工作面概況

斜溝煤礦位于山西省呂梁市興縣，屬河東煤田離柳礦區(qū)，主采煤層為8#、13#煤，面積88.6 km2。礦井為低瓦斯礦井，采用斜井開拓方式，8#煤層厚度為3.80～5.50 m，平均厚度4.70 m，傾角為7.5°～11.7°，平均9.4°。8#煤透氣性系數(shù)為0.009 26～0.014 16 m2/(MPa2·d)，為低透性煤層。

8#煤埋藏深度+480～+560 m，頂板巖性是泥質(zhì)巖，很難進行維護和管理，完整性系數(shù)是0.2，巖塊飽和單軸抗壓強度是3.7 MPa；底板是粉砂巖，具有易風化、遇水泥化膨脹特點，層理發(fā)育，巖塊飽和單軸抗壓強度為4.3 MPa；井田范圍內(nèi)最小和最大的主應力是近水平方向，中間區(qū)域主應力是近垂直方向，為水平應力場環(huán)境，水平構(gòu)造應力對巷道的穩(wěn)定性影響較大。18209皮帶巷水平標高+405～+498 m，掘進斷面是18.2 m2，巷道的支護方式是錨噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架支護。

2 優(yōu)化支護方案

2.1 深部軟巖巷道變形特點

巷道變形特征：根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及圖片等資料，斜溝煤礦18209皮帶巷變形破壞特征有以下幾個特點，①巷道變形程度明顯且變形破壞速度快；②頂板流變程度嚴重、巷道底臌明顯；③錨桿、U型鋼支架等支護設施產(chǎn)生屈服破斷現(xiàn)象。

巷道變形原因：根據(jù)以上特點，得出1820皮帶巷發(fā)生變形原因包括，①18209皮帶巷地質(zhì)條件比較復雜，巷道圍巖周圍充滿泥質(zhì)巖體，遇水后立即膨脹，同時擁有極強的流變性質(zhì)；②巷道圍巖變形程度嚴重，破壞深度大，錨桿、U型鋼支架等支護設施未起到作用，嚴重失效，圍巖的承載能力未得到顯著發(fā)揮；③每個支護元件沒有構(gòu)成一個完整體，不能發(fā)揮錨桿等設施的整體支護能力。

2.2 支護原理

深部高應力軟巖巷道在掘進過程中，將會向作業(yè)空間釋放大量的膨脹變形，而這時巷道是塑性狀態(tài)，仍然擁有承載能力。

如果開挖深部高應力軟巖巷道后，強迫巷道圍巖向各個作業(yè)空間運動的各個力的合力為PT，查閱相關(guān)資料得到支護原理可用下式表示

pT=pD+pR+pS

(1)

式中：PT—開挖巷道過程中圍巖向作業(yè)空間運動的合力；PD—軟巖巷道的塑性能通過變形的途徑涌出；PR—圍巖自撐力；PS—工程支護力。

根據(jù)公式(1)發(fā)現(xiàn)，巷道開挖后工程支護力PS未全部構(gòu)成導致圍巖向自由空間運動的合力PT，而是由PD、PR、PS共同構(gòu)成。以軟巖巷道為例，其本身的圍巖自撐力PR較小，一般為pR

2.3 方案優(yōu)化

原支護方案：18209皮帶巷起初的支護方案是U型鋼可縮支架搭配錨噴網(wǎng)，選用型號為36U型鋼可縮性拱形支架，在拱形支架梁的中部安裝強力拉板一套，相鄰U型鋼可縮支架的棚距是800 mm，將U型鋼可縮支架的整體支護能力全部發(fā)揮出來；預應力錨桿的錨固長度是1.1 m，型號是φ22 mm×2 400 mm，預緊力是150 kN，抗拉強度是780 MPa；采用自制10#金屬經(jīng)緯網(wǎng)，規(guī)格是1 m×10 m，間距是40 mm×40 mm；選用不含速凝劑沙漿的混凝土來噴層，其噴層厚度是490 mm。

優(yōu)化方案：采用“高強錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架及壁后充填”的支護技術(shù)作為優(yōu)化設計支護方案，是圍巖加固技術(shù)、釋能技術(shù)和高阻力支護技術(shù)的有機結(jié)合，擁有可縮性U型鋼支架、錨桿(索)注漿加固圍巖、煤壁后方添加柔性填充層三位一體的綜合支護工藝。優(yōu)化方案是在原支護方案上，采用高強度、高預應力的錨桿，其抗拉強度超過780 MPa，同時將錨固長度增加到1.4 m；添加φ21.8 mm×7 300 mm的錨索支護，其抗拉強度超過570 MPa，錨固長度達到2.0 m，巷道頂板錨索規(guī)格是1.6 m×1.6 m，7.30 m的長錨索共計5根，斷面如圖1所示。

圖1 優(yōu)化方案斷面

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

依據(jù)18209皮帶巷現(xiàn)場實際情況，建立240 m×120 m×80 m的模型，將其劃分53 636個單元。設置上部為自由邊界、下方為固定邊界，周圍為水平位移約束，模型如圖2所示。在模型上部覆巖施加12.11 MPa的載荷，參數(shù)選擇見表1。

圖2 數(shù)值模型

參數(shù)名稱厚度/m泊松比容重/(kN·m-3)彈性模量/GPa粘聚力/MPa摩擦角/(°)剪脹角/(°)抗拉強度/MPa頂板420.122 6006.52.2526.2100.53煤層120.1213.006.22.3226.80.62底板320.3521.008.41.4830.2101.41

注：砂漿泊松比為0.2，彈性模量是25 GPa；U型支架、錨桿泊松比為0.2，彈性模量為210 GPa。

3.2 數(shù)值模擬過程

在開挖巷道過程中，在y方向上0～60 m仍然采用原支護設計方案，在y方向上60～120 m采用優(yōu)化后的方案；工作面回采過程中，推進位置設在工作面自距右邊界20 m處，一次向前開挖30 m，持續(xù)到距巷道10 m時模擬停止。

計算過程是先巷道開挖，延遲一段時間后，在巷道的相應區(qū)域內(nèi)采用設置好的兩種支護方案對深部高應力巷道開始支護，數(shù)值模擬計算到應力平衡狀態(tài)；接著對工作面進行分段開挖，位置設于煤層預先選好點，每次開挖30 m一共開挖6次，直到最終位置，數(shù)值模擬過程如圖3所示。在數(shù)值模擬時，監(jiān)測

監(jiān)控這兩種巷道支護方案下煤層頂?shù)装宓奈灰屏?，結(jié)果如圖4所示。

a-推進30 m；b-推進60 m;c-推進90 m;d-推進120 m;e-推進150 m;f-推進180 m圖4 優(yōu)化方案巷道頂?shù)装逦灰圃茍D

3.3 結(jié)果分析

通過ANSYS數(shù)值模擬計算，確定采用兩種支護方案后18209皮帶巷頂?shù)装逡平?，具體如圖5所示。

圖5 18209皮帶巷頂?shù)装逡平?/p>

由圖5模擬計算結(jié)果可知，兩種支護方案的18209皮帶巷頂?shù)装逡平烤_始變大，但增大程度明顯不同，采用優(yōu)化的支護方案后18209皮帶巷的頂?shù)装逡平吭龃蟪潭让黠@低于原支護方案；當工作面推進30 m時，原支護方案頂?shù)装逡平繛?00 mm，而優(yōu)化方案頂?shù)装逡平渴?0 mm；當推進180 m時，優(yōu)化方案頂?shù)装逡平渴?12 mm，而原支護方案頂?shù)装逡平繛?12 mm，結(jié)果表明：對比優(yōu)化方案與原支護方案，得到實施優(yōu)化方案可以減少巷道頂?shù)装逡平浚湓鲩L率減小26%，優(yōu)化方案可以明顯控制住18209皮帶巷圍巖的變形，取得了良好的支護效果。

4 現(xiàn)場試驗

通過現(xiàn)場實測收集數(shù)據(jù)得到18209皮帶巷頂?shù)装逡平皟蓭褪諗壳闆r，如圖6所示。

圖6 巷道表面位移變化曲線

從圖6得到在工作面推進過程中，采用原支護設計方案后18209皮帶巷最大頂?shù)装逡平渴?.047 m，皮帶巷最大兩幫收斂量是0.318 m；采用優(yōu)化支護設計方案后18209皮帶巷最大頂?shù)装逡平渴?.588 m，皮帶巷最大兩幫收斂量是0.211 m；在采動影響下，優(yōu)化后的18209皮帶巷支護設計方案，皮帶巷變形速度顯著小于原方案支護，現(xiàn)場實測結(jié)果基本和數(shù)值模擬結(jié)果吻合。所以選擇合理的優(yōu)化支護設計參數(shù)將對圍巖的控制起到良好的效果。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)18209皮帶巷破壞的主要特征是巷道變形速度快且破壞嚴重，頂板變形嚴重且有大量墜袋產(chǎn)生，巷道底臌凸起明顯，變形破壞大，屈服破斷了支護構(gòu)件；巷道產(chǎn)生失去穩(wěn)定性的主要原因是圍巖中充滿擁有較強流變特點的泥質(zhì)巖體，導致遇到水后開始膨脹變形。

(2)“高強錨(索)噴網(wǎng)配合U型鋼可縮支架”支護工藝能有效發(fā)揮每一個支護原件的功能，增強了巷道圍巖的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，最大程度地發(fā)揮深部軟巖的自承載能力，為解決深部區(qū)域軟巖巷道應力高、圍巖破碎、巷道變形大及支護困難等問題提供一種有效方法。

(3)通過實際觀測和數(shù)值模擬結(jié)果，證明斜溝煤礦18209皮帶巷采取優(yōu)化支護措施后，巷道變形程度明顯減小，工作面生產(chǎn)過程中巷道兩幫的最大移近量是211 mm，煤層頂板最大下沉量是588 mm，未發(fā)生冒頂、片幫事故，發(fā)揮了巷道圍巖承載能力，支護效果好。