王坡礦軟巖巷道定量讓壓支護(hù)穩(wěn)定性控制技術(shù)

吉少卿

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021)

由于我國煤層開采深度的不斷增加和開采條件的日益復(fù)雜，開采過程中遇到很多軟巖巷道，軟巖巷道強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)破碎，傳統(tǒng)支護(hù)方法難以控制，如何解決軟巖巷道圍巖變形是目前急需解決的問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖巷道破壞機(jī)理及治理措施展開相關(guān)研究：西原[1]提出了巖石變形與時(shí)間關(guān)系的彈性—黏塑性模型，研究了巖石蠕變變形與時(shí)間有關(guān)的巖石形態(tài)，并建立了力學(xué)本構(gòu)模型，稱為西原蠕變模型；王志儉等[2]對(duì)泥巖進(jìn)行三軸蠕變實(shí)驗(yàn)，提出了相應(yīng)的流變模型，獲得了泥巖蠕變的強(qiáng)度指標(biāo)；韓立軍等[3]對(duì)砂巖進(jìn)行單軸蠕變實(shí)驗(yàn)，建立了砂巖的非線性黏彈塑性蠕變模型；在軟巖巷道治理方面，目前支護(hù)技術(shù)包括錨噴支護(hù)、錨注支護(hù)、棚式支護(hù)等[4]. 其中，棚式支護(hù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于采礦工程、建筑工程等諸多領(lǐng)域，具有強(qiáng)度高、整體穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。本文主要針對(duì)王坡礦3210工作面軟巖巷道的具體情況，提出讓壓支護(hù)技術(shù)，并對(duì)支護(hù)方案的具體參數(shù)進(jìn)行了分析研究，以保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1 工程概況

王坡礦3210工作面，主采3#煤層，位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，平均埋藏深度500～600 m，煤層均厚為5.76 m，煤層傾角為2°～10°. 工作面運(yùn)輸巷斷面形狀為矩形，凈寬為5.0 m，凈高3.4 m，巷道的長度約為2 278 m. 3#煤層偽頂為碳質(zhì)泥巖，約0.1 m；直接頂多為泥巖，均厚2.0 m；基本頂為砂巖，均厚9 m；底板為粉砂質(zhì)泥巖，均厚8.5 m，具體煤層頂?shù)装鍘r層情況見表1.

表1 頂?shù)装鍘r層性質(zhì)表

王坡礦3210工作面運(yùn)輸巷圍巖裂隙較發(fā)育，局部圍巖極其松軟破碎，又由于煤層上方直接頂為泥巖，極易風(fēng)化，故巷道在原本設(shè)計(jì)掘進(jìn)的矩形斷面時(shí)，頂板巖體易垮落，矩形斷面成形不好，基于巷道圍巖支護(hù)自穩(wěn)的平衡拱理論，在后期掘進(jìn)過程中調(diào)整巷道斷面形狀為拱形。拱形斷面的參數(shù)為長5 000 mm×高4 300 mm，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿采用d20 mm×3 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨索采用d18.9 mm×8 000 mm的鋼絞線，間排距為1 400 mm×1 400 mm，具體巷道支護(hù)參數(shù)見圖1. 根據(jù)巷道變形破壞特征的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巷道在現(xiàn)有錨網(wǎng)索支護(hù)方式下，支護(hù)效果差，鎖具處錨索易斷裂，且支護(hù)系統(tǒng)缺乏讓壓性，巷道圍巖變形嚴(yán)重，急需進(jìn)一步采取有效的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖1 運(yùn)輸巷道原支護(hù)示意圖

2 軟巖巷道定量讓壓支護(hù)參數(shù)確定

2.1 定量讓壓支護(hù)機(jī)理

軟巖巷道具有強(qiáng)度較低、結(jié)構(gòu)破碎等特點(diǎn)，現(xiàn)有的支護(hù)理論不能很好地控制圍巖的穩(wěn)定性。因此，提出了軟巖巷道定量讓壓支護(hù)技術(shù)，合理的讓壓空間可以讓軟弱圍巖中儲(chǔ)蓄的能量得到有效地釋放[5]. 定量讓壓支護(hù)原理：一次支護(hù)使圍巖具有柔性抗壓強(qiáng)度，二次支護(hù)預(yù)留讓壓空間，實(shí)現(xiàn)定量高強(qiáng)抗壓，抵抗圍巖變形。

讓壓支護(hù)原理具有多級(jí)性，具體的支護(hù)方法有：1) 一次支護(hù)。巷道開挖在進(jìn)行錨桿支護(hù)后，再用短錨索對(duì)淺部圍巖進(jìn)行錨固，長錨索對(duì)深部圍巖進(jìn)行錨固實(shí)現(xiàn)多級(jí)有強(qiáng)讓壓，讓壓空間充填可以防止應(yīng)力集中損壞支架，使鋼支架更有效地發(fā)揮抗壓效果，實(shí)現(xiàn)一次支護(hù)與支架相耦合，提高圍巖支護(hù)能力[6]. 2) 二次支護(hù)。利用高強(qiáng)支架提高圍巖表面抗壓能力，有效控制巷道圍巖的變形，保證巷道安全。

2.2 支護(hù)時(shí)機(jī)與讓壓空間大小的確定

軟巖的蠕變性是軟巖的重要力學(xué)特性之一，為了分析軟巖巷道圍巖損傷變形機(jī)理，選擇具有彈性、松弛、蠕變特征的西原蠕變模型。西原蠕變模型由黏彈體、黏塑性體、虎克體原件串聯(lián)組成，具體模型見圖2.

圖2 西原蠕變模型圖

對(duì)平面應(yīng)變問題，當(dāng)σ0<σs時(shí)，引入損傷變量ωp的西原模型可建立蠕變方程：

(1)

式中：

E1、E2—彈性常數(shù)；

η—黏滯系數(shù)；

ε—西原模型總應(yīng)變；

ωp—為損傷變量；

σ0—應(yīng)力。

對(duì)式(1)進(jìn)行拉普拉斯變換，然后求導(dǎo)，可得圍巖蠕變的變形速率為：

(2)

損傷變量ωp表示巖石破壞程度，當(dāng)ωp=0時(shí)，巖石完好無損；當(dāng)ωp=1時(shí)，巖石已經(jīng)完全破壞，對(duì)于軟巖主要受時(shí)間影響，因此蠕變模型中王坡礦的長期損傷變量為：

(3)

3210工作面埋深約550 m，垂直應(yīng)力σ0=16.53 MPa，通過三軸壓力機(jī)測(cè)得軟巖彈性模量E1=1.23 GPa，E2=2.14 GPa，黏滯參數(shù)η=210 GPa·h.

由式(2)得到圍巖蠕變速率ur(t)=0.158 mm/d=0.006 mm/h. 3210工作面運(yùn)輸巷斷面形狀為矩形，凈寬5.0 m，凈高3.4 m，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得E1、E2帶入式(3)，得到長期損傷變量ω∞=0.64. 再把ω∞帶入式(2)，得到t=472.5，約為20 d，即二次支護(hù)最佳時(shí)間為一次支護(hù)后20 d. 在第一次支護(hù)強(qiáng)度為0.4 MPa時(shí)，再將ω∞帶入式(1)，得到20 d后圍巖變形量ε=300 mm，即讓壓空間為300 mm.

3 巷道圍巖控制技術(shù)及效果

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

巷道原先采用錨網(wǎng)索支護(hù)，支護(hù)效果不理想。在確定了巷道定量讓壓支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)支護(hù)方案及參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)：首先對(duì)錨桿錨索參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，形成“錨桿+長短錨索”的支護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)多級(jí)有強(qiáng)讓壓支護(hù)；然后預(yù)留合理讓壓空間，選用高強(qiáng)支架進(jìn)行二次讓壓支護(hù)，形成“讓壓層+U 型鋼支架”的支護(hù)結(jié)構(gòu)。其具體支護(hù)參數(shù)如下：

1) 一次支護(hù)。

3210工作面運(yùn)輸巷基本支護(hù)參數(shù)：采用d20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，每排18根，錨桿排間距700 mm×700 mm，并加設(shè)長度為2 200 mm的d16 mm的鋼筋托梁，其中頂錨桿安裝時(shí)與頂板成90°夾角，底錨桿安裝與水平方向成15°夾角。根據(jù)3210工作面頂板的巖層特征，為進(jìn)一步有效控制直接頂巖層的穩(wěn)定，故短錨索采用d20 mm×5 300 mm的預(yù)應(yīng)力錨索，為控制基本頂中厚度約1.2 m軟弱夾層的穩(wěn)定，故選用長錨索，采用d20 mm×8 300 mm的預(yù)應(yīng)力錨索，選用300 mm×300 mm×16 mm的錨索托盤，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)片。

2) 二次讓壓支護(hù)。

3210工作面運(yùn)輸巷道拱形斷面的參數(shù)為長5 000 mm×高4 300 mm，選用U型鋼架進(jìn)行二次支護(hù)。由U形鋼架特性可知，U形鋼架截面越大，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度系數(shù)也就越高。根據(jù)3210工作面運(yùn)輸巷的具體地質(zhì)情況，確定選用U36型鋼架，棚架間距離為700 mm，鋼棚采用撐桿連接，并在底板處設(shè)置底梁，將底梁與U36型鋼架連接整體結(jié)構(gòu)，另外理論分析可知，巷道在基本支護(hù)后20 d進(jìn)行二次讓壓支護(hù)，預(yù)留讓壓空間300 mm時(shí)對(duì)巷道圍巖的控制性效果較好，具體巷道支護(hù)斷面圖見圖3.

圖3 支護(hù)斷面圖

3.2 工業(yè)性效果分析

為了檢驗(yàn)巷道優(yōu)化后的支護(hù)效果，沿3210運(yùn)輸順槽巷道軸向20 m、70 m、120 m處安裝3個(gè)監(jiān)測(cè)站，對(duì)3210工作面運(yùn)輸順槽表面位移量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)直至數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，得出3210工作面運(yùn)輸順槽50 d的礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，頂?shù)装逡平?、兩幫移近量曲線圖見圖4.

圖4 圍巖表面位移量曲線圖

由圖4可以看出，頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔兓厔?shì)相近，在20 d內(nèi)移近量速度較快，在20～30 d移近量雖然有所增加，但是變化速度明顯降低，在30 d后移近量基本達(dá)到穩(wěn)定，不再變化，頂?shù)装遄畲笠平?35.8 mm，兩幫最大移近量105.6 mm. 顯然，U 型鋼支架沒有發(fā)生破壞，說明采用“讓壓層+U 型鋼支架”的支護(hù)方案能夠有效地控制圍巖變形。

4 結(jié) 論

針對(duì)2310工作面運(yùn)輸順槽軟巖巷道局部圍巖松軟破碎的情況，調(diào)整斷面形狀為拱形，提出了定量讓壓支護(hù)技術(shù)，通過理論分析確定了二次讓壓最佳支護(hù)時(shí)間為基本支護(hù)后20 d，讓壓支護(hù)空間為300 mm，并對(duì)2310工作面順槽“讓壓層+U型鋼支架”的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。根據(jù)礦壓結(jié)果可知，巷道采用“讓壓層+U型鋼支架”的支護(hù)方案后，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?35.8 mm，兩幫的最大移近量為105.6 mm，保證了巷道圍巖的長期穩(wěn)定。