基于地應(yīng)力的巷道圍巖支護(hù)設(shè)計及校核

王 楊

(山西晉煤集團(tuán)趙莊二號井，山西 長治 047100)

0 引 言

井下工作面回采期間，其兩側(cè)的平巷對于工作面的服務(wù)作用不言而喻，只有當(dāng)工作面兩側(cè)的平巷圍巖結(jié)構(gòu)完整性較高、收斂位移量較小時，巷道才能夠較好的完成行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等作業(yè)要求[1-2]。在我國礦山巷道支護(hù)方面，采用較多的為錨桿/索支護(hù)方法，如何合理的設(shè)計錨桿/索參數(shù)，以及對設(shè)計方案合理性的校核，對于巷道圍巖支護(hù)設(shè)計的意義十分重要。

本文綜合考慮鉆孔地質(zhì)勘測和地應(yīng)力測試結(jié)果，在此基礎(chǔ)上對于巷道掘進(jìn)方向及圍巖支護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計。后續(xù)通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場礦壓觀測相結(jié)合的手段，對于支護(hù)方案的合理性進(jìn)行了驗證。研究結(jié)果為具有類似地質(zhì)條件巷道圍巖的支護(hù)設(shè)計提供了借鑒和指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

山西晉煤集團(tuán)趙莊二號井目前主采2301 工作面位于井田內(nèi)的西翼盤區(qū)，該工作面沿傾向?qū)挒?55m，沿走向長為595m，其主采3# 煤層平均厚度為4.26m，平均傾角為3°。2301 工作面內(nèi)運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷服務(wù)于工作面開采期間，因此對于工作面兩側(cè)平巷的支護(hù)質(zhì)量有較高的要求。根據(jù)2301 工作面內(nèi)的鉆孔柱狀圖揭示情況，可知2301 工作面煤層頂?shù)装鍘r性分布情況如表1。

表1 2301 工作面煤層頂?shù)装鍘r性情況

由表1 可知，2301 工作面內(nèi)煤層直接頂板為中厚層狀半堅硬頂板，但受到煤層巷道沿頂板掘進(jìn)影響，其頂板巖層較為破碎；同理可知巷道底板為中厚層狀堅硬底板，底板破碎程度較頂板輕微；由于煤層普氏系數(shù)大于1，且單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果為14.0 MPa，由此可見工作面主采3#煤層屬于硬煤，煤體完整性較好。

2 水平構(gòu)造應(yīng)力對巷道影響分析

趙莊二號井井田內(nèi)地應(yīng)力情況根據(jù)之前在井底車場配風(fēng)巷內(nèi)（第一測站）、1304 外回風(fēng)平巷內(nèi)（第二測站）和東軌大巷內(nèi)（第三測站）三個地點的測試結(jié)果所確定，其具體測試參數(shù)情況如表2。

表2 趙莊二號井地應(yīng)力測試結(jié)果

由表2 可知，三個測站中最大水平主應(yīng)力的最大值為14.78 MPa，最小值為13.02 MPa，其對應(yīng)的垂直應(yīng)力為10.15 MPa 和11.95 MPa，可以計算得到該井田的側(cè)壓系數(shù)λ 取值范圍為1.09～1.46，以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

根據(jù)趙莊二號井現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果，分別對側(cè)壓系數(shù)λ 取值為1.1、1.2、1.3、1.4 和1.5 時的5 種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并對巷道底板塑性區(qū)范圍進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖1。

圖1 不同側(cè)壓系數(shù)λ 時巷道底板塑性區(qū)演化規(guī)律

由圖1 可知，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 值由1.1 增大至1.5時，期間其底板塑性區(qū)深度增幅依次為17.6%、20.4%、22.5%和25.4%，可見底板塑性區(qū)深度隨著側(cè)壓系數(shù)λ 值的遞增而增幅加劇，這意味著在較高的側(cè)壓系數(shù)λ 值影響下，巷道底板破壞深度急劇加大，進(jìn)而造成巷道底板煤巖體的不穩(wěn)定，為后續(xù)底板事故的發(fā)生埋下隱患。

當(dāng)巷道底板破壞深度較大時，隨著工作面的回采，巷道底板極易受采動影響形成的高集中靜載和劇烈動載疊加擾動影響而誘發(fā)底板沖擊事故，關(guān)于巷道底板的受力破壞機(jī)理如圖2。

圖2 巷道底板破壞力學(xué)模型[3]

由圖2 可知，在較高的側(cè)壓系數(shù)λ 值影響下，巷道底板煤巖體深度方向大范圍處于塑性破壞狀態(tài)，此時頂板破斷會產(chǎn)生較為劇烈的動載荷σd，并且會增大覆巖對巷道兩側(cè)煤體的垂直壓應(yīng)力σy，其與較高的水平構(gòu)造應(yīng)力σx共同疊加作用下會造成已處于塑性破壞狀態(tài)的巷道底板煤巖體瞬間滑移涌入巷道自由空間內(nèi)，進(jìn)而造成巷道底板沖擊事故。

在對巷道掘進(jìn)方向進(jìn)行設(shè)計時，要讓巷道掘進(jìn)方向盡量與水平構(gòu)造應(yīng)力方向相一致。由表2 可知地應(yīng)力測試的最大水平主應(yīng)力方向均為北偏東方向，因此將2301 工作面兩側(cè)平巷掘進(jìn)布置為北偏東方向，這樣巷道底板受到的側(cè)壓系數(shù)較小，底板內(nèi)煤巖體處于塑性破壞的深度也較小，有利于后期回采期間巷道底板的維護(hù)。

3 支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)表1 所示的2301 工作面煤層頂?shù)装鍘r性情況，并根據(jù)鄰近盤區(qū)的支護(hù)方案及可錨性試驗結(jié)果，對2301 工作面兩側(cè)平巷支護(hù)方案進(jìn)行了初步設(shè)計，如圖3。其中錨桿的初始錨固力不低于150kN，初始預(yù)緊力矩范圍為300～400N·m，錨索的初始預(yù)緊力不低于250kN。

圖3 巷道詳細(xì)支護(hù)方案

4 支護(hù)方案數(shù)值模擬校核

基于巷道凈斷面尺寸以及表1 所示的2301 工作面煤層頂?shù)装鍘r性情況，采用Flac3D 軟件建立三維數(shù)值模型。根據(jù)彈性力學(xué)中的偏應(yīng)力定義可知，第二偏應(yīng)力能夠直觀的表示出巖體受到剪切應(yīng)變作用時變形破壞的本質(zhì)特征[4-5]，因此對數(shù)值模擬運(yùn)輸結(jié)果采用如式(1)所示的第二偏應(yīng)力計算公式進(jìn)行求解計算，再采用相應(yīng)的后處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行云圖化，最終得到的巷道圍巖第二偏應(yīng)力云圖如圖4。

式中：σ1、σ2和σ3分別表示數(shù)值模擬運(yùn)算求解得到的巷道圍巖中第一、第二和第三主應(yīng)力的大小，MPa。

圖4 巷道圍巖第二偏應(yīng)力分布云圖

從圖4 中2301 工作面兩側(cè)平巷（膠帶平巷、軌道平巷）圍巖中第二偏應(yīng)力演化規(guī)律可以看出，巷道圍巖中第二偏應(yīng)力值整體較小，基本上均小于5 MPa。這表明巷道圍巖在該支護(hù)方案下并未受到大范圍剪切應(yīng)變而十分碎裂，巷道圍巖完整性較好，該支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖受力情況。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)分布情況

從圖5 中2301 工作面兩側(cè)平巷（膠帶平巷、軌道平巷）圍巖中塑性區(qū)分布規(guī)律可以看出，巷道圍巖中拉伸和剪切破壞范圍整體較小，巷道頂板塑性區(qū)深度僅為3.4 m，實體煤幫塑性區(qū)深度僅為2.5 m，均處于較小的破壞范圍。

可見，從第二偏應(yīng)力和塑性區(qū)分布的角度均可以看出該支護(hù)方案對于巷道圍巖起到了很好的控制效果，巷道圍巖在該支護(hù)方案下圍巖應(yīng)力環(huán)境良好，而良好的應(yīng)力環(huán)境也保護(hù)了巷道圍巖受拉剪應(yīng)力作用而出現(xiàn)大范圍塑性破壞的可能性。

5 現(xiàn)場礦壓觀測

后續(xù)現(xiàn)場2301 工作面掘進(jìn)期間，通過在掘進(jìn)工作面后方50 m 位置處的巷道兩幫和頂?shù)装逯虚g位置處安裝楔形倒釘，并通過十字觀測法[6]來對巷道圍巖收斂位移量進(jìn)行觀測。分別在膠帶平巷和材料平巷內(nèi)各布置3 個測站，通過對觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總平均化，可以得到巷道圍巖表面收斂位移量隨時間的變化曲線，如圖6。

圖6 巷道圍巖收斂量觀測結(jié)果

由圖6（a）可知，2301 工作面膠帶平巷圍巖表面收斂位移量在巷道掘出后60d 時開始趨于穩(wěn)定，最終巷道水平收斂位移量為104mm，底板鼓起位移量為191mm，頂板下沉位移量為35mm，膠帶平巷整體收斂位移量均較小，整體收斂位移量控制在5%以內(nèi)；由圖6（b）可知，2301 工作面材料平巷圍巖表面收斂位移量在巷道掘出后80d 時開始趨于穩(wěn)定，最終巷道水平收斂位移量為55mm，底板鼓起位移量為67mm，頂板下沉位移量為15mm，材料平巷整體收斂位移量也均較小，整體收斂位移量同樣也控制在5%以內(nèi)。

通過現(xiàn)場采用十字觀測法對巷道圍巖收斂位移量進(jìn)行觀測，進(jìn)一步驗證了采用圖3 所示支護(hù)方案能夠很好的對巷道圍巖進(jìn)行有效控制，進(jìn)而提高巷道圍巖整體完整性結(jié)構(gòu)，使得2301 工作面兩側(cè)的膠帶平巷和軌道平巷能夠更好的服務(wù)于2301 工作面的回采作業(yè)中，為后續(xù)工作面回采期間行人、運(yùn)輸、通風(fēng)等提供良好的作業(yè)環(huán)境。

6 結(jié) 論

1）通過趙莊二號井地應(yīng)力測試結(jié)果，數(shù)值模擬揭示了底板塑性區(qū)深度隨著側(cè)壓系數(shù)λ 值的遞增而增幅加劇，進(jìn)而造成巷道底板煤巖體大范圍處于塑性狀態(tài)。從理論的角度分析了當(dāng)?shù)装迕簬r體大范圍處于塑性狀態(tài)時，受回采形成的動靜載疊加擾動作用時，巷道底板極易誘發(fā)底板沖擊事故。

2）指出巷道掘進(jìn)方向與水平構(gòu)造應(yīng)力方向相一致時，有利于維護(hù)巷道底板的穩(wěn)定性，進(jìn)而防范巷道底板沖擊事故的發(fā)生。

3）根據(jù)鄰近盤區(qū)的支護(hù)方案及可錨性試驗結(jié)果，對2301 工作面兩側(cè)平巷支護(hù)方案進(jìn)行了初步設(shè)計。并通過第二偏應(yīng)力和塑性區(qū)演化規(guī)律校核了巷道圍巖支護(hù)方案的合理性。

4）現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果表明2301 工作面兩側(cè)平巷圍巖收斂量均控制在5%以內(nèi)，巷道圍巖在該支護(hù)方案下圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，能夠滿足后續(xù)行人、運(yùn)輸、通風(fēng)要求。