軟巖巷道復(fù)雜空間支護(hù)設(shè)計(jì)研究及工程實(shí)踐

李 峰

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司山西031400）

關(guān)鍵字：軟弱；圍巖；復(fù)雜；支護(hù)；實(shí)踐

0 前言

辛置煤礦310水平二采區(qū)軌道巷末端受特大斷面交叉巷道和上覆軟弱泥巖影響，巷道空間位置關(guān)系和圍巖應(yīng)力分布十分復(fù)雜，類似復(fù)雜交叉巷道[1-3]經(jīng)常由于支護(hù)不合理造成巷道破壞和反復(fù)返修，為了尋求安全經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方案，以該復(fù)雜巷道交叉處工程為例對其圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)和支護(hù)對策進(jìn)行研究，并取得了良好的效果，對于解決類似復(fù)雜空間巷道支護(hù)問題[4,5]提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

辛置煤礦位于山西省臨汾市北緣，始建于1956年，核定生產(chǎn)能力280 萬t/a，開拓方式為混合開拓，開采水平有+540 m，+450 m，+310 m 三個(gè)，其中310 水平二采區(qū)為新準(zhǔn)備采區(qū)，主采2#煤，煤層圍巖頂?shù)装逄匦砸姳?。

表1 圍巖頂?shù)装鍘r性特征

二采區(qū)軌道巷末端區(qū)域內(nèi)區(qū)域巷道多、地理關(guān)系復(fù)雜，交叉巷道空間位置關(guān)系見圖1，其中二采區(qū)軌道巷道為拱形巷道，掘拱形巷道凈高3.9 m，掘進(jìn)凈寬5 m，底板標(biāo)高＋230 m，距地面高度480 m。

圖1 交叉巷道空間關(guān)系

2 開挖支護(hù)數(shù)值模擬

采用摩爾－庫侖模型，模型尺寸為30 m×10 m×43 m，模型材料參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算模型中巖層和煤體的力學(xué)參數(shù)

模擬巷道埋深480 m，上邊界施加均布載荷垂直應(yīng)力11.7 MPa，水平邊界xy 兩個(gè)方向固定，底部邊界豎直方向固定。根據(jù)原始地質(zhì)條件、巖層屬性和賦存情況，對模型進(jìn)行相應(yīng)的巖層布置、節(jié)理塊體的劃分以及施加約束條件，計(jì)算模型、巷道模型支護(hù)斷面分別見圖2、圖3。

圖2 計(jì)算模型示意圖（m）

圖3 二采區(qū)軌道巷斷面及支護(hù)示意圖

3 巷道應(yīng)力分布特征

通過FLAC3d軟件對“錨桿+錨索”、“錨桿+錨索+錨噴”不同支護(hù)及間排距方案進(jìn)行模擬分析，綜合現(xiàn)場實(shí)際確定最優(yōu)的支護(hù)方案。

3.1 不同支護(hù)方式下的模擬對比

圖4 錨桿錨索桁架支護(hù)下

圖5 錨桿錨索桁架錨噴支護(hù)

圖6 錨桿錨索桁架支護(hù)

圖7 錨桿錨索錨噴支護(hù)下

由圖4-7可知，錨桿錨索支護(hù)情況下，巷道垂直方向最大位移120 mm，大于100 mm 的范圍為2.4 m 左右，由于錨桿錨索的支托作用，其承受的垂直應(yīng)力有一定程度加強(qiáng)，巷道最大水平位移量80 mm。錨桿錨索錨噴情況下，巷道垂直方向最大位移為98 mm，大于80 mm范圍為2 m左右，巷道最大水平位移量60 mm。

從效果來看，錨桿和錨索桁架足以可以控制住巷道的變形，水平位移方面也有同樣的改善，巷道的最大水平位移量20 mm，其深度也又有進(jìn)一步變淺的趨勢。若使用錨噴后巷道自承載能力迅速增強(qiáng)，巷道發(fā)揮了其自承載能力，效果更好。

3.2 結(jié)構(gòu)單元受力對

從上圖8，9可知，錨桿錨索支護(hù)方案情況下，錨索結(jié)構(gòu)單位受力為6.39×106N，錨桿錨索錨噴支護(hù)方案情況下，錨索結(jié)構(gòu)單位受力為1.55×106N，增加錨噴后，錨桿錨索受力明顯減少，從圖中還可以看出，桁架豎向受力為2.3×108N，在桁架承載范圍對圍巖起到了很好的支撐作用。

圖8 錨桿錨索支護(hù)下受力

圖9 錨桿錨索桁架錨噴支護(hù)下受力

4 支護(hù)方案及效果

4.1 支護(hù)方案比較及選擇

表3 錨桿索間排距不同時(shí)巷道圍巖變形量

結(jié)合理論模擬結(jié)果表3 及臨近工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確定選用方案2：拱形斷面布置，錨桿每排19 根，其中兩幫8根，頂部11根；幫部φ22×2 500 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，頂部φ20×2 500 mm 的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，排間距為800×800 mm，錨索采用φ21.6×8.5 m 鋼絞線“323”布置，排間距1 600 mm×1 600 mm。全斷面采用8#鐵絲菱形網(wǎng)（初噴厚度不小于40 mm）。

4.2 支護(hù)效果

復(fù)雜空間巷道錨桿索施工期間，設(shè)置有2 個(gè)測點(diǎn)對巷道兩幫移近量和頂?shù)装逡平繙y量，連續(xù)兩個(gè)月監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：兩幫總回縮量分別為0.13 m、0.09 m，頂?shù)装逡平糠謩e為0.26 m、0.19 m。實(shí)踐結(jié)果表明，特大斷面巷道頂板下沉和兩幫移近的變形在理論計(jì)算范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)由于受力導(dǎo)致的宏觀裂隙，達(dá)到了支護(hù)設(shè)計(jì)的要求，取得了良好的支護(hù)效果。

5 小結(jié)

（1）錨桿錨索錨噴的支護(hù)條件下，模擬結(jié)果顯示巷道垂直方向最大位移110 mm，且100 mm 的范圍僅為2.0 m左右，由于桁架的支撐作用，垂直應(yīng)力出現(xiàn)加強(qiáng)，噴漿有助于圍巖形成一個(gè)整體承載結(jié)構(gòu)，消除圍巖因局部松動破壞而影響整體承載，三者聯(lián)合支護(hù)形成了一定強(qiáng)度的整體。

（2）實(shí)踐表明“錨桿錨索+錨噴”支護(hù)方案有效控制了頂板離層、滑動、裂隙擴(kuò)展與新裂隙的產(chǎn)生等擴(kuò)容現(xiàn)象，降低了斷面收縮率，能有效控制巷道變形，使得巷道充分發(fā)揮了其自承載能力，監(jiān)測點(diǎn)巷道變形情況在理論控制范圍內(nèi)。