巷道圍巖變形破壞特征及支護(hù)方案研究

徐付軍

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

隨著我國煤礦綜合機(jī)械程度有較大的提高，巷道的回采速度也逐漸增大，但是巷道掘進(jìn)速度無法完全匹配開采速度，影響了煤礦的整體開采速度。我國煤礦早在20世紀(jì)50年代對煤礦巷道支護(hù)進(jìn)行了研究，在錨桿初期，主要使用機(jī)械錨桿、樹脂錨桿、縫管式錨桿等，隨著煤礦開采技術(shù)的進(jìn)步，錨桿支護(hù)理論逐漸由組合拱理論、懸吊理論、組合梁理論發(fā)展為最大水平地應(yīng)力和圍巖松動(dòng)圈知乎理論，深入的分析了巷道圍巖和錨桿—索的關(guān)系及錨桿支護(hù)圍巖穩(wěn)定機(jī)理，改善了錨桿—索的支護(hù)巷道的效果[1-3]。鑒于此，本文研究了巷道圍巖變形破壞特征及支護(hù)方案，理論分析了巷道圍巖變形破壞特征，得到了巷道塑性區(qū)和原巖應(yīng)力關(guān)系，數(shù)值模擬了不同巷道支護(hù)下巷道垂直應(yīng)力分布情況，并進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。研究為類似工程條件下巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供了理論支持。

1 工程概況

研究對象為某礦膠帶運(yùn)輸巷，主要滿足綜采工作面設(shè)備安裝、管線鋪設(shè)、運(yùn)輸、行人和通風(fēng)等。煤層傾角為0～3°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為3.5，煤層層理發(fā)育，絕對瓦斯涌出量1.87 m3/min。煤層底板為粉砂巖，含煤屑及植物化石碎片，具有滑面，深灰色，厚13.3 m；煤層基本頂為細(xì)粒砂巖，中間夾薄層粉砂巖(厚度約0.28 m)，水平及小微波狀層理，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，淺灰色，平均厚度20.4 m。巷道凈寬5.4 m，凈高2.8 m。巖層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and mechanical properties of rock formation

2 巷道圍巖變形破壞特征

當(dāng)巷道開挖后，根據(jù)巷道不同的圍巖破壞變形特征，可將巷道圍巖變形分為結(jié)構(gòu)變形、彈塑性變形和碎脹變形。其中，彈塑性變形最為常見，當(dāng)巖體未受到影響時(shí)，處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)巖體處于彈性階段，經(jīng)過開挖后，巷道圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)，具體表現(xiàn)為3個(gè)階段[4-6]：初始劇烈變形、中期緩慢變形、末期穩(wěn)定變形。巷道圍巖變形速率如圖1所示。

圖1 巷道圍巖變形速率Fig.1 Deformation rate of roadway surrounding rock

經(jīng)過3個(gè)階段，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)由高應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榈貞?yīng)力，巷道出現(xiàn)較大的變形，因此需要采用外力支護(hù)來緩解巷道圍巖的蠕變，根據(jù)巷道圍巖性質(zhì)，主要采用錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨桿支護(hù)和工字鋼支護(hù)等抑制巷道圍巖的蠕變。

巷道圍巖受力狀態(tài)可簡化為巷道受力模型(圖2)，圖2中，P為原巖應(yīng)力，a為巷道半徑，(r，θ)為塑性區(qū)邊界任一點(diǎn)極坐標(biāo)。當(dāng)巷道圍巖達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，巷道強(qiáng)度并沒有完全消失，而是隨著變形的增加逐漸降低。

圖2 巷道受力模型Fig.2 Roadway force model

在各向等壓情況下，巷道塑性區(qū)半徑計(jì)算公式為：

(1)

式中，r為巷道塑性區(qū)半徑；C為圍巖的黏聚力；φ為圍巖的內(nèi)摩擦角；a為圓形巷道半徑；Pi為支護(hù)阻力；P為原巖應(yīng)力。

由式(1)可知，巷道塑性區(qū)和原巖應(yīng)力呈正比，隨著開采深度的增大，巷道塑性區(qū)范圍逐漸增大。

3 巷道支護(hù)模擬效果分析

3.1 不同支護(hù)方案下巷道垂直應(yīng)力分布

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[7-10]，分析了巷道支護(hù)的可行性以及快速支護(hù)的必要性，模擬分析了4種方案：方案1為低強(qiáng)度錨桿支護(hù)方案，方案2為高強(qiáng)度支護(hù)方案，方案3為在方案二的基礎(chǔ)上增加了肩角的錨桿，方案4為在方案3的基礎(chǔ)上增加了1根高應(yīng)力錨索。4種方案的錨桿采用直徑為18 mm、長2 100 mm的Ⅱ級螺紋鋼筋錨桿，錨索采用直徑為15.24 mm、長7 300 mm的鋼絞線。各支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 各支護(hù)方案示意Fig.3 Schematic of each supporting plan

不同支護(hù)條件下巷道垂直應(yīng)力分布情況如圖4所示。由圖4可知，方案4的支護(hù)效果最佳，增加了頂角處錨桿，使頂角應(yīng)力集中效應(yīng)減弱，應(yīng)力集中區(qū)范圍減??；增加錨索，使巷道頂板應(yīng)力得到了有效的控制。

圖4 不同支護(hù)條件下巷道垂直應(yīng)力分布情況Fig.4 Distribution of vertical stress in roadway under different supporting conditions

3.2 及時(shí)支護(hù)必要性分析

巷道掘進(jìn)速度和巷道支護(hù)速度決定著巷道安全掘進(jìn)的重要因素，為了驗(yàn)證及時(shí)支護(hù)必要性，本文分別模擬分析了4種滯后支護(hù)的安全性，分別為滯后0、3、5、7 m，主要從巷道頂板垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行研究，然后對頂板垂直應(yīng)力進(jìn)行二次處理，得到三維應(yīng)力云圖。不同滯后支護(hù)方案下巷道頂板垂直應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 不同滯后支護(hù)方案下巷道頂板垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution of roadway roof under different lagging supporting schemes

由圖5可知，隨著滯后支護(hù)距離的增大，巷道頂板的垂直應(yīng)力范圍越大，垂直應(yīng)力越大，并且在滯后支護(hù)7 m時(shí)，出現(xiàn)垂直應(yīng)力降低區(qū)，距掘進(jìn)面3.5～4.0 m位置，表明巷道頂板出現(xiàn)垮落的圍巖，但是在及時(shí)支護(hù)和滯后3 m支護(hù)情況下，均未出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，表明及時(shí)支護(hù)可能降低巷道頂板的垮落及巷道圍巖的變形。

4 現(xiàn)場實(shí)測分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析，巷道采用方案4支護(hù)，在巷道的兩幫和頂板設(shè)置了測站，總共有9個(gè)測試斷面，測站距離為5 m，得到了巷道位移曲線(圖6)。

圖6 巷道位移曲線Fig.6 Displacement curve of roadway

由圖6可知，在采用優(yōu)化后支護(hù)方案下，巷道圍巖變形量小，該方案能夠有效抑制巷道變形。

5 結(jié)語

本文理論分析了巷道圍巖變形破壞特征，基于此，數(shù)值模擬了4種方案下巷道垂直應(yīng)力分布情況，得到了針對此礦的最優(yōu)巷道支護(hù)方案，并進(jìn)行了及時(shí)支護(hù)必要性分析，最后進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測分析，表明該支護(hù)方案的可行性。研究為深部巷道的合理設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。