開(kāi)拓煤業(yè)含水巖層條件下31軌道巷支護(hù)技術(shù)研究

虎曉宏

(山西潞安集團(tuán) 蒲縣開(kāi)拓煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041206)

1 工程概況

開(kāi)拓煤業(yè)31軌道巷延伸段是為將31軌道巷延伸至井田邊界及以后工作面運(yùn)輸所掘的巷道。根據(jù)地測(cè)部門(mén)出示的資料顯示，3號(hào)煤層厚度約2.2～2.4 m，有1層夾矸約0.2～0.4 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定可采煤層，煤層呈黑色塊狀，條帶狀和粒狀結(jié)構(gòu)，呈弱瀝青光澤，為光亮-半光亮型煤層。頂板為細(xì)粒砂巖，底板為泥巖。31軌道巷掘進(jìn)工作面水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，主要充水水源為頂板砂巖裂隙水，巷道掘進(jìn)及使用期間，頂板淋水較嚴(yán)重，31軌道巷延伸段施工長(zhǎng)度為196 m。依據(jù)開(kāi)拓煤業(yè)31軌道巷以往掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)、支護(hù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在上部含水層影響下，成巷后頂板多處淋水，巷道頂板下沉量較大，局部冒頂、片幫嚴(yán)重，需定期進(jìn)行返修，為避免31軌道巷延伸段出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題，進(jìn)行31軌道巷延伸段巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。

2 含水層對(duì)巷道圍巖影響分析

為掌握含水層對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，查閱相關(guān)研究文獻(xiàn)[1-2]，巷道圍巖內(nèi)力學(xué)理論分析模型如圖1所示，假設(shè)巷道斷面為圓形，R0為半徑，Rp為巷道圍巖塑性破壞范圍邊界直徑，Rw為含水層承壓水影響范圍半徑，Pw0為原始滲透場(chǎng)水壓。

依據(jù)滲流理論，滲透水壓場(chǎng)Pw隨與巷道中心距離r的關(guān)系：

(1)

圖1 彈塑性理論分析模型

含水圍巖屬于兩相介質(zhì)，滿(mǎn)足微分方程：

(2)

式中：α為承壓水壓力系數(shù)，材料不透水時(shí)α=0，透水時(shí)α=1。

圍巖內(nèi)任一點(diǎn)切向應(yīng)力：

σθ=K1σr+K2(Ccotφ-αPw)

(3)

巷道表面位置r=R0，σr=Pw，代入公式(3)可得到巷道塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算公式:

(4)

假設(shè)巷道圍巖彈性破壞深度r=Rp，邊界面上σrp|r=Rp，距巷道中心無(wú)限遠(yuǎn)處為原巖應(yīng)力區(qū)，地應(yīng)力為p，滲透水壓為αPw，于是得到含水條件下彈性區(qū)巖體內(nèi)應(yīng)力計(jì)算公式：

(5)

在圍巖內(nèi)彈性區(qū)、塑性區(qū)交界處，即r=Rp，σθp=σθe，σrp=σre，并且：σrp|r=Rp=K1σrp|r=Rp+K2(Ccotφ-αPw)，巷道圍巖破壞遵循摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[3]，可解得圍巖塑性區(qū)半徑計(jì)算公式：

(6)

從而可得到塑性區(qū)邊界處應(yīng)力峰值計(jì)算公式：

(7)

開(kāi)拓煤業(yè)31軌道巷延伸段尺寸寬×高=5.4 m×3.6 m，外接圓半徑為3.25 m，無(wú)支護(hù)條件下Pi=0，頂?shù)装迥鄮r內(nèi)聚力1.2 MPa，內(nèi)摩擦角28°，巷道平均埋深400 m，原始水壓力Pw0=4 MPa，有效水壓力系數(shù)α取0.3，采用單一變量法，由公式(7)得到不同內(nèi)聚力條件下，圍巖內(nèi)應(yīng)力峰值及塑性破壞深度的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 含水條件下巷道圍巖受力、破壞特征

由圖2可知，含水條件下，圍巖內(nèi)應(yīng)力峰值及塑性破壞深度明顯高于同比無(wú)水條件下，隨著巷道圍巖內(nèi)聚力的增大，有水、無(wú)水條件下，巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力峰值及塑性破壞深度均逐漸減小，開(kāi)拓煤業(yè)31軌道巷延伸段圍巖主要為泥巖，內(nèi)聚力為1.2 MPa，此時(shí)，無(wú)水條件下，圍巖內(nèi)應(yīng)力峰值23.6 MPa，有水條件下，圍巖內(nèi)應(yīng)力峰值32.3 MPa，較無(wú)水條件下增大8.7 MPa；無(wú)水條件下，塑性區(qū)發(fā)育深度為1.91 m，有水條件下，塑性區(qū)發(fā)育深度為2.19 m，較無(wú)水條件下增大0.28 m。綜上可知，含水層影響下，巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力集中程度提高，圍巖塑性破壞深度增大，通過(guò)提高圍巖內(nèi)聚力，可降低圍巖內(nèi)應(yīng)力集中程度及塑性區(qū)發(fā)育深度。

3 31軌道巷延伸段支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)含水層影響下巷道圍巖破壞特點(diǎn)，并結(jié)合31軌道巷原有支護(hù)方式，設(shè)計(jì)其延伸段的支護(hù)，提出以下支護(hù)優(yōu)化措施：①增加頂板、兩幫錨桿的錨固深度和強(qiáng)度：無(wú)水條件下，塑性區(qū)發(fā)育深度為1.91 m，有水條件下，塑性區(qū)發(fā)育深度為2.19 m，原支護(hù)錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)度為2.0 m，錨桿有效錨固長(zhǎng)度較小，且在含水層對(duì)于錨固效果的弱化作用下，錨桿易失效，且錨桿強(qiáng)度較低，無(wú)法提供足夠的預(yù)緊力來(lái)保證巷道淺部圍巖的整體性，導(dǎo)致頂板冒頂、巷幫片幫等問(wèn)題，因此優(yōu)化31軌道巷延伸段頂板及兩幫錨桿直徑22 mm，長(zhǎng)度為2.5 m；②合理配置錨索、錨桿：增加頂板錨桿密度，增設(shè)幫部錨索，利用錨索能夠錨固在深部圍巖的作用，調(diào)動(dòng)深部圍巖的穩(wěn)定性控制巷道表面的過(guò)度變形；③巷道表面合理噴漿：巷道表面圍巖在含水層作用下，弱化、軟化、松散破碎更加嚴(yán)重，采取鋼筋網(wǎng)噴漿支護(hù)措施，即可提升巷道淺部圍巖的整體性，同樣有利于發(fā)揮錨固體的殘余支撐強(qiáng)度。

結(jié)合以上措施，開(kāi)拓煤業(yè)31軌道巷具體支護(hù)參數(shù)：頂板錨桿為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，D=22 mm，長(zhǎng)2.5 m，托板為120 mm×120 mm×8 mm的鋼板鐘形托板，間、排距為1.0 m，靠近肩角處錨桿間距0.6 m，與豎直方向夾角30°，頂板鋼筋網(wǎng)選用直徑6 mm的鋼筋焊制，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm，用16號(hào)鐵絲聯(lián)結(jié)，雙絲雙扣，隔孔相連。組合梁直接214 mm圓鋼焊制的7孔鋼筋梯子梁；頂板錨索直徑15.6 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)度6.5 m，托板為300 mm×300 mm×12 mm的鋼板鐘形托板，間距為1.0 m，排距為2.0 m；幫錨桿規(guī)格型號(hào)同頂錨桿，間、排距1 m，組合梁規(guī)格D14-3-80-2 300 mm，D14 mm圓鋼焊制的3孔，寬度為80 mm，長(zhǎng)度為2 300 mm的鋼筋梯子梁。頂板和兩幫噴射混凝土厚度為100 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C20，鋪底厚度為20 mm，混凝土標(biāo)號(hào)C30。31軌道巷延伸段支護(hù)如圖3所示。

4 31軌道巷聯(lián)合支護(hù)技術(shù)效果模擬研究

根據(jù)開(kāi)拓煤業(yè)31軌道巷延伸段具體條件，采用FLAC軟件模擬含水層下巷道掘進(jìn)支護(hù)[4]，一定程度上驗(yàn)證所設(shè)計(jì)支護(hù)的有效性和合理性，結(jié)合具體的地質(zhì)條件建立三維模型，模型長(zhǎng)(X軸)、高(Z軸)為60 m，厚(Z軸)為6 m，模型上方模擬400 m埋深，巖層平均容重取2 500 kg/m3，模型頂面設(shè)置7.5 MPa垂直向下的均布載荷，31軌道巷斷面尺寸寬×高=5.4 m×3.6 m，煤層上覆巖層開(kāi)啟Config fluid滲流模式，采用cable單元模擬錨桿錨索，巷道圍巖孔隙率為0.3，水的密度為1 000 kg/m3，巷道周邊巖體內(nèi)設(shè)定400 m埋深的孔隙水壓力，然后巷道開(kāi)挖與支護(hù)同步進(jìn)行。得到含水巖層下31軌道巷延伸段圍巖垂直位移、水平位移分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)作用下，頂板中部最大下沉量為133.7 mm，底板中部最大底鼓量為103 mm，兩幫最大相對(duì)移近量為124 mm，巷道圍巖整體變形量很小，由此可以說(shuō)明，錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)能夠有效保障巷道圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果

5 實(shí)地應(yīng)用效果考察

開(kāi)拓煤業(yè)31軌道巷延伸段采用上述支護(hù)方式掘巷期間，為考察支護(hù)質(zhì)量確保巷道安全，采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)巷道表面變形情況，整理得到原支護(hù)方案、優(yōu)化后支護(hù)方案巷道表面變形量對(duì)比如圖5所示，改進(jìn)后的支護(hù)方案條件下，軌道巷表面變形量均明顯減小，頂板下沉量原有支護(hù)條件下達(dá)到398 mm，改進(jìn)支護(hù)方案條件下為100 mm，原有支護(hù)條件下底板底鼓量達(dá)到152 mm，改進(jìn)支護(hù)方案條件下為93 mm，兩幫變形量也明顯減小，改進(jìn)支護(hù)條件下，巷道表面位移量在合理范圍內(nèi)，支護(hù)效果良好。

圖5 31軌道巷表面變形特征

6 結(jié) 語(yǔ)

文章以開(kāi)拓煤業(yè)31軌道巷延伸段掘進(jìn)為背景，通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、工程應(yīng)用等方法，研究含水層下巷道支護(hù)技術(shù)，得到如下結(jié)論：

1) 含水層影響下，巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力集中程度提高，圍巖塑性破壞深度增大，通過(guò)提高圍巖內(nèi)聚力，可現(xiàn)在降低圍巖內(nèi)應(yīng)力集中程度及塑性區(qū)發(fā)育深度。

2) 提出增加頂板、兩幫錨桿的錨固深度和強(qiáng)度、合理配置錨索、錨桿巷道表面合理噴漿等方法優(yōu)化支護(hù)方案。

3) 巷道掘進(jìn)期間，頂板下沉量為100 mm，底板底鼓量93 mm，兩幫移近量112 mm，采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)有效控制巷道表面的位移，能夠保障31軌道巷延伸段的長(zhǎng)期穩(wěn)定。