大跨度巷道雙微拱支護(hù)技術(shù)模擬分析

趙偉樞

(潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046600)

隨著采煤機(jī)械化程度的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)巷道斷面要求也逐漸增大，巷道寬度也隨之增大。巷道穩(wěn)定性受巷道的跨度影響非常大，切眼是大斷面煤巷，支護(hù)難度大，利用減跨手段來(lái)改善大斷面巷道圍巖穩(wěn)定是行之有效的方法[1,2]，通過(guò)減跨原理將大跨度巷道減為小跨度巷道，頂板受力峰值降低并趨于穩(wěn)定，頂板由單梁結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嗫邕B續(xù)組合梁結(jié)構(gòu)[3-5]。目前，減跨支護(hù)手段有錨桿、錨索、單體支護(hù)、鋼帶等[6]。

本文以某礦7602切眼為研究背景，采用雙微拱斷面+單體支柱+錨桿(索)減跨支護(hù)方法，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)其效果進(jìn)行分析。

1 工程概況

某礦主采煤層為3號(hào)煤層，煤層平均厚度6.8 m。7602切眼斷面為8 m×3.2 m，兩端頭斷面尺寸為10 m×3.2 m，切眼為大跨度巷道，尤其兩端頭跨度為10 m，切眼埋深為500 m，頂?shù)装鍨槟鄮r、炭質(zhì)泥巖和砂巖泥巖，切眼頂板易發(fā)生嚴(yán)重的離層和變形，支護(hù)難度大。運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的斷面均為4.5 m×3.4 m。7602切眼采掘工程平面如圖1所示。

圖1 7602切眼采掘工程平面

2 大跨度雙微拱支護(hù)設(shè)計(jì)

7602切眼的掘進(jìn)方法采用雙微拱二次成巷，沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)順序?yàn)椋合染蛐嗝妫倬虼髷嗝?，小斷面掘進(jìn)寬度為3.5 m，大斷面掘進(jìn)寬度為4.5 m。

2.1 支護(hù)參數(shù)選擇

采用FLAC2D數(shù)值軟件模擬分析確定錨桿預(yù)緊力的大小。模擬方案為30 kN、40 kN、70 kN、80 kN錨桿預(yù)緊力，通過(guò)對(duì)不同預(yù)緊力錨桿支護(hù)效果進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)而確定合理的預(yù)緊力大小。模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，隨著預(yù)緊力的增加，錨桿支護(hù)范圍內(nèi)的應(yīng)力增大，當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)到70 kN時(shí)，在錨固范圍內(nèi)，巷道頂板形成分布均勻的壓應(yīng)力區(qū)，無(wú)拉應(yīng)力區(qū)，第一主應(yīng)力能夠達(dá)到0.05 MPa以上，大跨度切眼保持穩(wěn)定。因此，確定錨桿預(yù)應(yīng)力大小不低于70 kN。

圖2 不同預(yù)緊力切眼圍巖第一主應(yīng)力分布云圖

2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

頂板采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，每排布置9根，間排距為1 000 mm×900 mm，采用樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為Z2360；錨索采用D22 mm×7 300 mm的鋼絞線，每?jī)膳佩^桿打4根錨索，錨索間排距為2 000 mm×1 800 mm，采用1支K2335和兩支Z2360樹(shù)脂藥卷進(jìn)行錨固。

外側(cè)幫采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，每排布置4根，間排距為800 mm×900 mm，使用1支K2335和1支Z2360樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固。

內(nèi)側(cè)幫采用D20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，每排布置4根，間排距800 mm×900 mm，使用1支Z2360樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固。

斷面支護(hù)示意如圖3所示。

圖3 雙微拱切眼減跨支護(hù)布置(cm)

3 支護(hù)效果數(shù)值模擬

采用FLAC數(shù)值軟件對(duì)比分析模擬埋深500 m的大跨度切眼，在側(cè)壓系數(shù)λ為0.5、1、1.5、2時(shí)，矩形斷面和雙微拱斷面大跨度切眼圍巖變形規(guī)律。模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可知，頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量均隨側(cè)壓系數(shù)的增大而不斷增大，當(dāng)λ≤1時(shí)，增加幅度比較小，當(dāng)λ>1時(shí)，增加幅度較大。從圖4(a)、(b)可知，相同側(cè)壓條件下，就頂板下沉量及底鼓量而言，雙微拱斷面低于矩形斷面，表明雙微拱斷面的支護(hù)效果更優(yōu)。從圖4(c)可知，雙微拱斷面與矩形斷面兩幫移近量相差不大，表明大跨度巷道支護(hù)重點(diǎn)為頂?shù)装濉?/p>

圖4 大跨度巷道不同斷面形狀圍巖變形規(guī)律

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)數(shù)值模擬，確定錨桿預(yù)應(yīng)力大小為70 kN，錨索預(yù)緊力為250 kN。

2) 隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量均隨之增大，且增幅隨之增大。

3) 相同側(cè)壓系數(shù)下，雙微拱斷面頂板下沉量及底鼓量比矩形斷面小，兩幫移近量?jī)烧呦嗖畈淮?，說(shuō)明大跨度巷道支護(hù)重點(diǎn)為頂?shù)装澹p微拱斷面的支護(hù)效果要優(yōu)于矩形斷面的支護(hù)效果。