泉店煤礦采區(qū)回風(fēng)下山支護(hù)優(yōu)化方案研究

蔣與飛

（河南神火興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司，河南 許昌 461600）

0 引 言

我國煤礦資源的開采深度以每年10 m 的平均速度向深部區(qū)域發(fā)展，煤炭資源的安全高效合理開發(fā)還仍然面臨眾多實(shí)際問題。大量研究結(jié)果表明巷道正常使用的關(guān)鍵是如何保證煤礦巷道圍巖穩(wěn)定，相關(guān)工程實(shí)踐表明煤礦深部軟巖巷道總量占年煤礦巷道總量的30%左右，但巷道返修率卻高達(dá)70%以上，其災(zāi)變?cè)蛑饕怯捎诂F(xiàn)場采用的支護(hù)參數(shù)與支護(hù)連接方式不當(dāng)。賈后省等針對(duì)新疆礦區(qū)綜放面支護(hù)工作過程面臨的煤柱施工巷道非對(duì)稱底臌劇烈、支護(hù)維護(hù)困難、起底工程量大等實(shí)際難題，采用理論數(shù)據(jù)分析、數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)M、現(xiàn)場原位試驗(yàn)等多種綜合研究方法，分析了煤柱巷道不同支護(hù)工作方式下的圍巖和周邊介質(zhì)應(yīng)力場的演化規(guī)律及分布形態(tài)。王光勇等通過分析得到動(dòng)載應(yīng)力的振波、位移、振動(dòng)響應(yīng)速度、振動(dòng)響應(yīng)加速度對(duì)不同動(dòng)載支護(hù)設(shè)計(jì)方案在不同動(dòng)載應(yīng)力作用下的的振動(dòng)響應(yīng)速度特征。王曉卿等一般認(rèn)為用在巷道的兩端錨錨索可有效實(shí)現(xiàn)全面多孔注漿的功能，同時(shí)它還兼具有較高錨固力與高強(qiáng)度延伸性，對(duì)我國復(fù)雜條件下的軟巖巷道圍巖控制效果較好。

以上研究成果為軟巖巷道侵蝕變形演化規(guī)律及軟巖破壞形態(tài)特征研究奠定了很好的理論基礎(chǔ)，但目前針對(duì)云南神火礦區(qū)高地應(yīng)力軟巖巷道變形演化處理規(guī)律與破壞形態(tài)特征等的研究較少。本文通過綜合分析調(diào)查神火泉店礦區(qū)煤礦深部軟巖巷道支護(hù)狀況，利用數(shù)值計(jì)算方法有針對(duì)性地綜合分析不同軟巖支護(hù)條件參數(shù)及不同支護(hù)處理方式不同條件下地質(zhì)圍巖巷道應(yīng)力、位移演化規(guī)律，得到適用于泉店礦區(qū)煤礦深部復(fù)雜條件地質(zhì)軟巖巷道支護(hù)經(jīng)濟(jì)合理的軟巖優(yōu)化方案，為研究泉店礦區(qū)煤礦22 采區(qū)軟巖下山及泉店礦區(qū)其他巷道同類支護(hù)條件下軟巖巷道支護(hù)優(yōu)化提供重要依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件

泉店興隆煤礦是云南神火興隆礦業(yè)的一個(gè)主力采煤礦井，生產(chǎn)規(guī)模為150 萬t/a。22 采區(qū)主采二1 煤層，煤層傾角一般為25°左右，煤層厚1.18~10.38 m，平均5.88 m?；仫L(fēng)下山采用一個(gè)半圓形的拱形，斷面面積為17.7 m2，22 采區(qū)回風(fēng)下山總體支護(hù)如圖1 所示。下山斷層圍巖松軟破碎，裂隙持續(xù)發(fā)育，斷層上山圍巖受巖體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變化因素影響，應(yīng)力較為集中。

22 采區(qū)回風(fēng)下山主要擔(dān)負(fù)著泉店煤礦22 采區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，其穩(wěn)定性至關(guān)重要。掘進(jìn)巷道圍巖以細(xì)粒砂巖為主，隨著埋深逐漸增加，圍巖穩(wěn)定性及控制難度不斷加大。開掘巷道斷面一般為直墻半圓拱形，凈寬5 000 mm，凈高4 300 mm，掘?qū)? 240 mm，掘高4 420 mm，墻高1 800 mm，噴厚120 mm，采用錨桿和錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿間排距為700 mm×700 mm，錨桿長2.4 m，桿徑為20 mm，錨索為直徑18.9 mm、長l 8000 mm 的不銹鋼絞線，錨索間距×排距為1 400 mm×1 400 mm，現(xiàn)場支護(hù)方案如圖1 所示。

圖1 下山原支護(hù)Fig.1 Downhill original support

1.2 巷道變形特征

1.2.1 頂板變形破壞表現(xiàn)形式

連接22 采區(qū)附近的—540 m 施工大巷是高應(yīng)力破碎軟巖巷道，根據(jù)目巷道圍巖工程地質(zhì)條件及現(xiàn)場表面位移監(jiān)測結(jié)果可知，大巷圍巖應(yīng)力高，頂壓及側(cè)壓較大，造成巷道頂板變形大、變形速率高。頂板錨網(wǎng)變形主要以金屬網(wǎng)兜的形式加以表現(xiàn)，錨網(wǎng)由于噴索的活動(dòng)支護(hù)受力作用部分或完全失效，螺母出現(xiàn)脫落，托盤出現(xiàn)扭曲，錨網(wǎng)變形嚴(yán)重，金屬網(wǎng)與塑鋼托盤連接處出現(xiàn)撕裂。變形過程中（圖2） 錨索沒有被用力拉伸折斷的正?，F(xiàn)象，但也有出現(xiàn)錨索扭曲后的現(xiàn)象。巷道圍巖塑性區(qū)較大，錨索沒有錨固在堅(jiān)硬的圍巖層中，未必能起到錨索懸吊的重要作用。

圖2 巷道變形破壞表現(xiàn)形式Fig.2 Manifestations of roadway deformation and failure

1.2.2 巷道兩幫變形破壞形式

兩幫收斂變形量大，特別是南北幫底均有明顯的收斂，呈不對(duì)稱變形，北幫變形量大于南幫變形量，巷道圍巖存在不同程度的片幫，片幫多發(fā)生在兩幫的中下部，墻角處最為嚴(yán)重，并且北幫比南幫嚴(yán)重。

1.2.3 底板變形破壞形式

巷道底鼓十分嚴(yán)重，由于巷道底板無支撐保護(hù)加固措施，成為巷道整體應(yīng)力釋放的薄弱部分，底板變形量大，其變形速率高，臥底工作量大。底鼓經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致兩幫移近量的不斷增大，巷道內(nèi)的維護(hù)更加困難。

2 采區(qū)下山支護(hù)參數(shù)與支護(hù)方式數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

以泉店煤礦22 采區(qū)下山為工程背景，選用三維有限差分程序FLAC3D 構(gòu)建數(shù)值模型，模擬巷道在不同支護(hù)參數(shù)及支護(hù)方式下的失穩(wěn)情況。數(shù)值分析的主要對(duì)象是錨索長度及錨桿（索） 聯(lián)合支護(hù)方式的優(yōu)化，為了消除邊界條件的影響，所取巷道周圍尺寸必須大于巷道半徑的5 倍，模型長為50 m，寬為60 m，高60 m，巷道位于模型中心，模型共劃分網(wǎng)格11 萬個(gè)，模型及網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 模型及網(wǎng)格劃分Fig.3 Model and meshing

在模型頂部施加15.6 MPa 的垂直向下的力以模擬上覆巖層，底部邊界固定約束，其他四周位移約束。

2.2 數(shù)值計(jì)算方案及結(jié)果分析

2.2.1 錨索長度優(yōu)化分析方案

此次模擬錨索巷道長度分別為5、6、7、8、9、10 m 時(shí)，巷道應(yīng)力變形及其圍巖的應(yīng)力分布情況，在充分確保錨索巷道穩(wěn)定的必要前提下，考慮盡量節(jié)省材料施工成本，以優(yōu)化錨索帶的長度。

2.2.2 錨索長度不同時(shí)下山圍巖變形規(guī)律

（1） 下山圍巖垂直位移分析。

圖4 為頂板垂直位移隨錨索長度的變化規(guī)律，分析可知頂板和底板的移近量隨錨索長度的不斷變大而逐漸減小。當(dāng)錨索長度為5 m 增加至6 m 時(shí)，頂?shù)装逡平棵棵诇p小幅度為4.1×10-2m；其中當(dāng)錨索長度為6 m 增加至7 m 時(shí)，頂?shù)装逡平棵棵诇p小幅度為1.87×10-2m；當(dāng)錨索長度為7 m 增至8 m 時(shí)，頂?shù)装逡平恳平棵棵诇p小幅度為0.65×10-2m；當(dāng)錨索長度為8 m 增加至9 m 時(shí)，頂?shù)装逡平棵棵诇p小幅度為0.22×10-2m；當(dāng)錨索長度為9 m 增加至10 m 時(shí)，頂?shù)装逡平棵棵诇p小幅度為0.19×10-2m。由此可知，頂?shù)装逡平糠秶? ～8 m 時(shí)，下山頂?shù)装逡平恐械淖兓认鄬?duì)較大，錨索長度大于8 m 時(shí)，頂?shù)装逡平康淖兓容^小，因此從安全、材料使用節(jié)約、施工難易3 個(gè)角度進(jìn)行考慮建議選擇錨索桿的長度在8～9 m，施工選擇錨索桿的長度一般為8 m。

圖4 圍巖頂?shù)装逡平侩S支護(hù)錨索長度變化規(guī)律Fig.4 Changing lawof the displacement of top and bottom of surrounding rock with the length of supporting anchor cable

（2） 下山圍巖水平位移分析。

圖5 為下山水平位移隨錨索長度的變化規(guī)律。兩幫移近量隨著錨索長度的增大而減小。當(dāng)錨索長度為5 m 增加到6 m 時(shí)，巷道兩幫移近量每米減小幅度為2.9×10-2m；當(dāng)錨索長度為6 m 增加到7 m時(shí)，巷道兩幫移近量每米減小幅度為2.41×10-2m；當(dāng)錨索長度為7 m 增加到8 m 時(shí)，巷道兩幫移近量每米減小幅度為0.79×10-2m；當(dāng)錨索長度為8 m增加到9 m 時(shí)，巷道兩幫移近量每米減小幅度為1.1×10-2m；當(dāng)錨索長度為9 m 增加到10 m 時(shí)，道兩幫移近量每米減小幅度為1.15×10-2m。由此可知，下山兩幫移近量在錨索長度在5～8 m 時(shí)，下山兩幫移近量變化幅度較大，在錨索長度大于8 m 時(shí)，巷道頂?shù)装逡平孔兓容^小，因此從巷道安全、材料節(jié)約、施工難易角度考慮可以選擇錨索長度在8～9 m，建議選擇錨索長度為8.3 m。

圖5 圍巖兩幫位移隨支護(hù)錨索長度變化規(guī)律Fig.5 Displacement of surrounding rock on two sides changing with length of supporting anchor cable

（3） 最大主應(yīng)力分布規(guī)律。

圖6 為錨索長度不同時(shí)下山最大主應(yīng)力分布云圖，圖7 為最大主應(yīng)力隨錨索長度變化規(guī)律。如圖可知，最大主應(yīng)力隨著錨索長度的不斷增大而逐漸減小。當(dāng)錨索長度為5 m 增加到6 m 時(shí)，最大主應(yīng)力的減小幅度大約為6.2×106MPa/m；當(dāng)錨索長度為6 m 增加到7 m 時(shí)，最大主應(yīng)力的減小幅度大約為3.6×106MPa/m；當(dāng)錨索長度為7 m 增加到8 m時(shí)，最大主應(yīng)力的減小幅度大約為1.4×106MPa/m;當(dāng)錨索長度為8 m 增加到9 m 時(shí)，最大主應(yīng)力的減小幅度大約為0.4×106MPa/m；當(dāng)錨索長度為9 m增加到10 m 時(shí)，最大主應(yīng)力的減小幅度大約為0.2×106MPa/m。由此可知，巷道頂?shù)装逡平吭阱^索長度在5～8 m 時(shí)，下山最大主應(yīng)力變化幅度較大，在錨索長度大于8 m 時(shí)，巷道頂?shù)装逡平孔兓容^小，因此從巷道安全、材料節(jié)約、施工難易角度考慮可以選擇錨索長度在8～9 m，建議選擇錨索長度為8.3 m。。

圖6 不同錨索長度支護(hù)圍巖最大主應(yīng)力云圖Fig.6 Cloud of maximum principal stress of surrounding rock with different anchor cable lengths

圖7 圍巖最大主應(yīng)力隨支護(hù)錨索長度變化規(guī)律Fig.7 Maximum principal stress of surrounding rock varies with length of supporting anchor cable

2.2.3 錨索長短搭配優(yōu)化分析

（1） 錨索長度搭配分析方案。

為減少支護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的支護(hù)效果，下山塑形破壞較大區(qū)域采用長錨索支護(hù)，在下山塑性破壞范圍較小處布置短錨索支護(hù)，在數(shù)值模擬中，采用短錨索長度為5 m，長錨索長度為8 m，分析圍巖變形量及最大主應(yīng)力分布規(guī)律。

（2） 錨索長短搭配時(shí)巷道圍巖變形量與最大主應(yīng)力分析。

圖8 為整個(gè)巷道圍巖垂直位移云圖，圖9 為整個(gè)巷道圍巖水平位移云圖，圖10 為整個(gè)巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖，圖11 為錨桿錨索受力圖。

圖8 巷道圍巖垂直位移云圖Fig.8 Vertical displacement cloud of roadway surrounding rock

圖9 巷道圍巖水平位移云圖Fig.9 Cloud of horizontal displacement of roadway surrounding rock

圖10 巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖Fig.10 Cloud of maximum principal stress of roadway surrounding rock

圖11 錨桿錨索受力Fig.11 Force on bolt and cable

由下圖結(jié)合等長短錨索支護(hù)時(shí)，圍巖變形量與最大主應(yīng)力分布可以看出，采用長短錨索搭配支護(hù)時(shí)頂?shù)装逡平?、兩邊移近量、最大主?yīng)力均與等長度錨索支護(hù)時(shí)差別不大，但是從經(jīng)濟(jì)高效的角度考慮，可以選用錨索長短搭配支護(hù)。

3 22 采區(qū)下山優(yōu)化支護(hù)效果評(píng)價(jià)

3.1 表面位移監(jiān)測目的與測點(diǎn)布置

對(duì)大巷表面位移監(jiān)測采用“十”的三字母布點(diǎn)法安設(shè)監(jiān)測斷面，如圖12 所示。

圖12 巷道表面位移監(jiān)測斷面Fig.12 Monitoring section of roadway surface displacement

對(duì)于大巷布置了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)字的監(jiān)測斷面，斷面基點(diǎn)間距20 m，在3 個(gè)測量基點(diǎn)每個(gè)位置上各安裝1 個(gè)測釘元件作為設(shè)置測量點(diǎn)的基點(diǎn)。每天觀測1 次，監(jiān)測時(shí)間為2 個(gè)月，考慮巷道斷面尺寸、預(yù)測的巷道圍巖位移量及要求的圍巖測量精度等諸多因素，位移的監(jiān)測儀器選擇鋼卷尺。

3.2 表面位移監(jiān)測結(jié)果

圖13 巷道頂?shù)装逡平克俣入S時(shí)間變化曲線圖，圖14 為兩幫移近量隨時(shí)間變化曲線圖，由以下圖表中可知，在巷道優(yōu)化支護(hù)工程完成之后，巷道變形量隨著時(shí)間增加過斷層段兩幫移近量、頂板下沉量不斷增大，變形率大。根據(jù)監(jiān)測斷面1 號(hào)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，巷道變形20 d 時(shí)，兩幫移近量為111 mm，平均變形速率大約為5.55 mm/d，變形速率較大，而且巷道10 d 內(nèi)的平均變形速率更大，高達(dá)8.3 mm/d；頂板下沉量為117 mm，變形速率為5.85 mm/d，變形10 d 時(shí)，變形速率為7.6 mm/d。根據(jù)監(jiān)測斷面2 號(hào)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，巷道變形20 d 時(shí)，兩幫移近量最大為119 mm，變形速率為5.95 mm/d，變形10 d 時(shí)，變形速率為8.8 mm/d；巷道變形20 d 時(shí)，頂板下沉量最大為140.5 mm，平均變形速率為7.05 mm/d，變形速率較大，而且巷道10 d 內(nèi)的平均變形速率更大，高達(dá)10.8 mm/d。根據(jù)監(jiān)測斷面3 號(hào)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，巷道變形20 d 時(shí)，兩幫移近量為96 mm，平均變形速率為4.8 mm/d，變形速率較大，而且，巷道10 d 內(nèi)的平均變形速率更大，高達(dá)7.5 mm/d；巷道變形20 d 時(shí)，頂板下沉量為106 mm，變形速率為5.3 mm/d。

圖13 頂?shù)装逡平侩S時(shí)間變化曲線Fig.13 Change curve of top and bottom plate approach with time

4 結(jié) 論

（1） 根據(jù)現(xiàn)場工程背景建立數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)圍巖變形規(guī)律、應(yīng)力特征及最大主應(yīng)力分布得出錨索的最佳長度為8.3 m。

圖14 兩幫移近量隨時(shí)間變化曲線Fig.14 Change curve of two sides'approach with time

（2） 采用長短錨索搭配支護(hù)時(shí)下山頂?shù)装逡平?、兩邊移近量、最大主?yīng)力均與等長度錨索支護(hù)時(shí)差別不大。但使用錨索長短搭配支護(hù)可以使礦山節(jié)省大筆成本，保障礦山安全經(jīng)濟(jì)高效開采。