深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究

李 杰

(山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600)

近幾年煤礦開采的深度逐漸加大，巷道圍巖所處的地質(zhì)環(huán)境也隨其埋深的加大發(fā)生了根本變化，多數(shù)巷道表現(xiàn)出非線性大變形特性，圍巖大多處于峰后階段，巖體裂隙發(fā)育，承載性能較低。目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)深部大變形巷道的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了很多研究[1-6]。由于礦井地質(zhì)條件的多變性，使得巷道圍巖維護(hù)狀況難以令人滿意，對(duì)于深部圍巖峰值強(qiáng)度后巷道失穩(wěn)全過(guò)程的巷道圍巖-支護(hù)相互作用規(guī)律的研究不足，深部峰后圍巖大變形巷道的穩(wěn)定性控制需做深入的研究。山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2號(hào)煤層埋深較大，頂板以泥巖為主，底板為砂質(zhì)泥巖，井田地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，以簡(jiǎn)單開闊的褶皺伴有較密集的大、中型斷層為主，巷道圍巖呈松散狀支護(hù)情況不佳。本文以此為工程背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)深部峰后巷道圍巖的破壞特征及穩(wěn)定性控制進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2號(hào)煤層平均厚度3.75 m，平均傾角9°，工作面地面標(biāo)高+517～+602 m，井下煤層底板標(biāo)高為+102～+172 m，工作面采用一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法。

2號(hào)煤層回風(fēng)大巷的斷面尺寸為5 m×4 m，全斷面采用高預(yù)緊力鋼絞線錨索與錨網(wǎng)噴組合而成的支護(hù)；錨桿采用D18 mm×1 700 mm的左旋螺紋鋼，間排距為800 mm×800 mm，預(yù)緊力大小為30 kN，球型托盤尺寸為150 mm×150 mm×10 mm；錨索采用D17.8 mm×6 500 mm的1×7股鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm，預(yù)緊力大小為120 kN；底板澆筑厚度為100 mm的混凝土封層。巷道原支護(hù)布置如圖1所示。

圖1 巷道原支護(hù)布置(mm)

在大巷掘進(jìn)約40 m時(shí)，采用CHK(2.7B)礦用鉆孔成像儀對(duì)巷道圍巖進(jìn)行了窺視。根據(jù)窺視結(jié)果可知，巷道圍巖分區(qū)破裂現(xiàn)象十分明顯。在淺部0～1.5 m范圍內(nèi)圍巖破碎嚴(yán)重，1.5～4.5 m范圍巖層內(nèi)裂隙較為發(fā)育，4.5～6 m范圍內(nèi)偶有裂隙且呈不連續(xù)狀態(tài)，6 m之外圍巖基本呈完整狀態(tài)。

巷道圍巖發(fā)生失穩(wěn)破裂的主要原因是高地應(yīng)力的存在，為確定巷道圍巖所處的原巖應(yīng)力屬性，采用水壓致裂法進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，回風(fēng)大巷所處地層地應(yīng)力處于高位，最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，應(yīng)力方向?yàn)镹E73～85°，地應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形失穩(wěn)有顯著影響，所以有必要采取有效的支護(hù)措施控制巷道圍巖的變形失穩(wěn)。

2 優(yōu)化支護(hù)方案

密度大、強(qiáng)度高的錨桿可以將淺部碎裂的巖體擠壓形成錨固體，可發(fā)揮出類似“組合梁”的承載作用，從而提高淺部圍巖的承載能力；同時(shí)采用錨索使其懸吊于深部巖層中，在錨索錨固圍巖體的范圍內(nèi)，其形成了類似“承載拱”的結(jié)構(gòu)。淺部“梁”和深部“拱”二者相互作用，組成巷道圍巖承載的主體結(jié)構(gòu)，確保巷道圍巖的穩(wěn)定性。

深-淺耦合全斷面錨噴網(wǎng)注支護(hù)技術(shù)，可以在巷道圍巖中構(gòu)建剛?cè)帷半p殼”封閉式承載體系，各支護(hù)形式在時(shí)間上以及空間上相結(jié)合，使得支護(hù)體系和巷道圍巖在剛度、強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)上共同發(fā)揮作用，同時(shí)發(fā)揮出巷道圍巖的自承載能力，確保巷道圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。其中，錨桿支護(hù)、分區(qū)注漿加固及鋼筋噴層護(hù)表分別是承載結(jié)構(gòu)的主體和輔助措施。

優(yōu)化支護(hù)技術(shù)如圖2所示，內(nèi)層錨桿和外層錨桿交錯(cuò)布置，其間排距分別為：600 mm×600 mm、600 mm×800 mm；總的注漿層厚度和淺部注漿層厚度分別為6.5 m、2.4 m，混凝土的噴層厚度為240 mm，三者之間共同發(fā)揮作用，增強(qiáng)巷道圍巖的自承載能力，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)兩種方案下的巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比研究分析。

圖2 優(yōu)化支護(hù)技術(shù)

所建三維模型尺寸為40 m×30 m×40 m，共劃分為65 000個(gè)單元，73 280個(gè)節(jié)點(diǎn)；模型的上表面與左右界面均為應(yīng)力邊界條件，上表面施加大小為16 MPa的載荷，左右邊界施加大小為21 MPa的載荷，模型底面和前后兩個(gè)面設(shè)定為固定位移約束。鋼帶、錨桿、混凝土噴層分別使用Beam、Cable、Shell結(jié)構(gòu)單元。模擬所用各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2模擬結(jié)果

原支護(hù)方案與優(yōu)化支護(hù)方案下巷道圍巖的豎向位移分布云圖如圖3所示。由此可以看出，在原支護(hù)方案下，巷道頂板一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的沉降，最大沉降值約為28 mm，位于巷道頂板的中央位置；在巷道的底板位置發(fā)生隆起變形，且有增大的趨勢(shì)；采用優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道頂板最大沉降值仍位于巷道頂板的中央位置，但最大沉降值變?yōu)榧s11 mm，減小了約60.7%，同時(shí)巷道底板隆起的位移值以及其影響范圍都明顯減小，這說(shuō)明采用優(yōu)化支護(hù)方案可以促進(jìn)巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖3 巷道垂直位移分布云圖

兩種支護(hù)方案下圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，采用優(yōu)化支護(hù)方案后，頂板、幫部、底板塑性區(qū)范圍分別減小了約57.1%、54%、52.5%。

圖4 巷道塑性區(qū)分布

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

采用優(yōu)化支護(hù)方案后，對(duì)巷道圍巖表面位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，巷道圍巖穩(wěn)定后，其收斂速率逐漸降低為1.2 mm/d，頂板、兩幫位移最大值分別為60 mm、34 mm，其總體變形量不大。同時(shí)巷道的噴層結(jié)構(gòu)也沒(méi)有發(fā)生開裂等破壞，巷道圍巖變形得到了十分有效的控制。

圖5 巷道圍巖變形量曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 建立深-淺耦合全斷面錨噴網(wǎng)注支護(hù)體系，并通過(guò)數(shù)值模擬證明了采用優(yōu)化支護(hù)方案后可對(duì)圍巖穩(wěn)定性起到積極的作用。

2) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道圍巖變形量較小，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生開裂破壞等現(xiàn)象，巷道圍巖的變形得到了有效控制，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化支護(hù)方案的可行性。