北嶺煤礦大斷面軟巖巷道錨固承載結(jié)構(gòu)和支護研究

張 文

（山西中煤平朔北嶺煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038500）

大斷面軟巖巷道圍巖控制是礦井安全高效生產(chǎn)的難題[1]。北嶺煤礦4 號煤及泥巖頂板強度低、節(jié)理裂隙發(fā)育[2]，開巷后圍巖煤體破碎，巷道掘進及后期服務(wù)中易發(fā)生冒頂和片幫等事故[3]，巷道的安全掘進與維護存在難度大、安全性差等問題[4]。弄清巷道破壞機理，提出符合大斷面軟巖巷道工程條件的支護參數(shù)，是實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定控制的有效路徑。

已有的研究為本文提供了參考和基礎(chǔ)，由于大斷面軟巖巷道賦存復(fù)雜，采動影響劇烈，需要深入研究[5]。本文采用了理論分析、工程類比、數(shù)值模擬的方法，提出大斷面軟巖巷道承載結(jié)構(gòu)和控制機理，設(shè)計出適合北嶺煤礦的支護方案，為軟巖巷道支護提供理論支撐。

1 軟巖巷道錨固承載結(jié)構(gòu)

1.1 工程地質(zhì)條件

北嶺煤礦4#煤層平均厚度10.1 m，傾角3°～5°，普氏系數(shù)f=1.7，外生裂隙發(fā)育，405 工作面運輸順槽埋深180～90 m。直接頂為泥巖，厚度為1.1 m，普氏系數(shù)f=2.3；基本頂為含礫粗砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖互層，普氏系數(shù)f=4.7。4#煤巖層完整性差，強度低，節(jié)理裂隙發(fā)育，承載性差，具有軟巖屬性。405 工作面運輸順槽斷面為矩形，巷道寬度為5.2 m，高度為3.5 m，沿煤層底板布置。

1.2 軟巖巷道錨固承載結(jié)構(gòu)原理

軟巖巷道開挖后圍巖自承能力差，實施錨桿索支護，巷道圍巖、煤柱和錨桿索支護形成錨固承載結(jié)構(gòu)。如圖1。

圖1 錨固承載結(jié)構(gòu)示意圖

開挖后應(yīng)力重新調(diào)整，巷道圍巖分為破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，打設(shè)的錨桿索作用于破碎區(qū)、塑性區(qū)和巷道圍巖形成了錨固結(jié)構(gòu)，使得圍巖破碎后的殘余強度（δ、E、C）大大提高。針對巷道圍巖“小結(jié)構(gòu)”采用主動錨固控制，使錨固體能充分發(fā)揮其承載能力。具體說，打設(shè)錨桿形成淺部承載結(jié)構(gòu)，打設(shè)錨索形成中深部強化結(jié)構(gòu)，強化圍巖強度和完整性，形成淺部-中深部一體承載結(jié)構(gòu)，提高圍巖抵抗剪切、拉伸破壞能力，減少巷道軟弱圍巖承載失效和支護體變形破壞。

2 軟巖大斷面巷道支護設(shè)計

頂錨桿為Ф22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，采用W 鋼護板（厚度×寬度×長度=4 mm×280 m×450 mm）[6]。

錨索為Ф17.8 mm，1×7 股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度7300 mm，鉆孔直徑28 mm，采用一支K2335 和兩支Z2360 樹脂藥卷錨固。

幫錨桿：正幫采用玻璃鋼錨桿，Ф18 mm，長度為1800 mm；副幫采用圓鋼錨桿，Ф18 mm，長度為1700 mm。

2.1 支護方案模擬研究

2.1.1 模型的建立

如圖2（a）所示，按照表1 參數(shù)建立模型，尺寸長×寬×高=50 m×30 m×50 m，巷道中線兩側(cè)各25 m 保護煤柱，沿巷道軸向掘進30 m[4]，如圖2（b）所示。平衡后，實施開挖和支護，支護材料的力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 4#煤巖層力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿、錨索力學(xué)參數(shù)

2.1.2 模擬方案

本次分析綜合考慮錨桿錨索間排距對支護效果的影響，提出設(shè)計方案見表3。巷道總長30 m，每次開挖5 m，分6 步開挖。

表3 初始方案設(shè)計 m

2.2 模擬結(jié)果分析

圍巖塑性區(qū)如圖3，可知頂板錨桿間排距越小，支護密度越大，頂板圍巖塑性區(qū)向深部發(fā)展的越少。各個方案中，巷道表面圍巖發(fā)生剪切破壞、張拉破壞，深部發(fā)生剪切破壞，調(diào)整錨桿（索）的間排距可以改變巷道淺部圍巖的破壞次數(shù)和破壞形式。

圖3 巷道塑性區(qū)分布

如圖4，在水平方向（巷道）從淺部到深部呈現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)—原巖應(yīng)力—應(yīng)力升高區(qū)—原巖應(yīng)力的變化[4]。由垂直應(yīng)力分布（圖5），方案1 中最高垂直應(yīng)力為6.219 4 MPa，方案5 為6.113 8 MPa，為原巖應(yīng)力的2.01 倍。

圖4 巷道水平應(yīng)力分布

錨桿索的間排距增大，支護密度減小，巷道頂板垂直方向上應(yīng)力降低區(qū)域增大，頂板表層巖石強度損失越嚴重。在一定范圍內(nèi)提高支護密度可以改變圍巖垂直應(yīng)力分布特征，使圍巖避免出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞[2]?？芍桨? 較為合理。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

按方案5 在405 工作面運輸巷進行工業(yè)性試驗，布置測站對巷道變形進行監(jiān)測。

由圖6 可知，測站處巷道變形特征主要為兩幫擠出，頂板變形較小，巷道表面位移在掘進初期變形較小，10 d 后變形速率加快，監(jiān)測50 d 后變形趨于穩(wěn)定，變形速率降低，監(jiān)測期間（210 d 左右）兩幫及頂?shù)装逡平孔畲蠓謩e為398 mm、269 mm。

4 結(jié)論

1）大斷面軟巖巷道圍巖強度低、承載性差，實施錨桿索支護，提高圍巖殘余強度，形成錨固承載結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性控制。

2）適當提高支護密度，可以減小圍巖破壞范圍，避免出現(xiàn)拉應(yīng)力，減少軟巖巷道圍巖剝離和脫落，從而保證圍巖的完整性。