深井巷道圍巖地應(yīng)力分布規(guī)律測試及控制技術(shù)

李士棟

(肥城礦業(yè)集團(tuán) 單縣能源有限責(zé)任公司，山東 單縣274300)

0 工程概況

根據(jù)原巖應(yīng)力測點布置的基本原則，依據(jù)陳蠻莊煤礦井下的開拓布置情況，在現(xiàn)有巷道揭露范圍內(nèi)選擇了四個測點進(jìn)行原巖應(yīng)力實測，編號分別為CMZSC-1、CMZSC-2、CMZSC-3、CMZSC-4，測點絕對深度941.7m。

實測表明最大水平應(yīng)力方向與巷道掘進(jìn)方向的夾角較大，最大水平應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性影響較大。根據(jù)實測的原巖應(yīng)力，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)一步探求原巖應(yīng)力與錨桿支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系，為巷道支護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

支護(hù)系統(tǒng)的成功關(guān)鍵是錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計要合理，支護(hù)參數(shù)包括錨桿長度、錨桿間排距、錨桿直徑、錨桿型號等。巷道圍巖松散破碎范圍是決定錨桿長度的重要因素，原則上講，錨桿的長度應(yīng)該足以錨固到松散破碎范圍以外的一定深度。

1 支護(hù)系統(tǒng)數(shù)值模擬分析

采用大型巖土類三維分析軟件3D-FSM·DDM 間接邊界元數(shù)值系統(tǒng)對巷道開挖后，對采用不同支護(hù)方式巷道的圍巖力學(xué)特征進(jìn)行數(shù)值模擬，具體數(shù)值計算模型及方案如下：

根據(jù)原巖應(yīng)力第一測點（CMZSC-1）的地質(zhì)條件，建立測點周圍西翼回風(fēng)大巷的數(shù)值計算模型。巷道斷面為直墻半圓拱形，其形狀尺寸斷面凈寬為4.0m，凈高為3.6m。方案1 采用錨網(wǎng)噴支護(hù)（斷面布設(shè)14根Φ18mm×1.8m 錨桿），方案2 采用錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)（斷面布設(shè)14 根Φ20mm×2.4m 錨桿，同時增加3 根Φ17.8mm×6.3m錨索）。

考慮到邊界效應(yīng)和計算速度因素，最終計算模型長度為20m，模型共有720 個單元，378 個節(jié)點。方案1 每個斷面布設(shè)14 根（Φ18mm×1.8m）錨桿，錨桿共有1680 個單元，1960 個節(jié)點；方案12 每個斷面布設(shè)14 根（Φ20mm×2.4m）錨桿+3 根（Φ17.8mm×6.3m）錨索，錨桿共有1680 個單元，1960 個節(jié)點，錨索有360 個單元，480 個節(jié)點。為了更好地模擬錨桿支護(hù)沿著不同方向支護(hù)的圍巖力學(xué)特征，本次數(shù)值模擬模型在巷道周邊施加原巖應(yīng)力測點CMZSC-1 實測的原巖應(yīng)力測試參數(shù)，方案施加的原巖應(yīng)力參數(shù)見表1。

2 不同支護(hù)方式下的巷道力學(xué)作用模擬分析

2.1 不同支護(hù)方式下的巷道主應(yīng)力矢量對比分析

巷道開挖后采用錨網(wǎng)噴支護(hù)和錨網(wǎng)噴+錨索耦合支護(hù)兩種支護(hù)方式下，巷道周邊圍巖主應(yīng)力矢量對比分析：當(dāng)模型采用錨網(wǎng)噴支護(hù)時，巷道周邊圍巖較支護(hù)之前主應(yīng)力有所減小，左側(cè)頂板的最大主應(yīng)力減小為12.11MPa；當(dāng)模型采用錨網(wǎng)噴+錨索相耦合的支護(hù)方式后，巷道周邊圍巖較支護(hù)之前主應(yīng)力有較明顯的減小，左側(cè)頂板的最大主應(yīng)力減小為6.47MPa，降幅較大，說明采用錨網(wǎng)噴+錨索耦合支護(hù)方式更能有效控制巷道變形。

2.2 不同支護(hù)方式下的巷道位移矢量對比分析

巷道開挖后采用錨網(wǎng)噴支護(hù)（斷面布設(shè)14 根Φ18mm×1.8m 錨桿）和錨網(wǎng)噴+錨索耦合支護(hù) （斷面布設(shè)14 根Φ20mm×2.4m 錨桿+3 根Φ17.8mm×6.3m 錨索）兩種不同的支護(hù)方式下，巷道周邊圍巖位移矢量對比分析：當(dāng)模型采用錨網(wǎng)噴支護(hù)時，巷道周邊圍巖較支護(hù)之前位移矢量有所減小，左側(cè)頂板的最大位移矢量減小為18.9mm；當(dāng)模型采用錨網(wǎng)噴+錨索相耦合的支護(hù)方式后，巷道周邊圍巖較支護(hù)之前位移矢量有較明顯的減小，左側(cè)頂板的最大位移矢量減小為9.43mm，降幅較大，說明采用錨網(wǎng)噴+錨索耦合支護(hù)方式更能有效控制巷道變形。

2.3 不同支護(hù)方式巷道穩(wěn)定性對比分析

圖1 不同支護(hù)方式下的巷道穩(wěn)定性對比分析圖

圖1 為巷道開挖后采用錨網(wǎng)噴支護(hù)和錨網(wǎng)噴+錨索耦合支護(hù)兩種不同的支護(hù)方式下，巷道周邊圍巖穩(wěn)定性對比分析圖。當(dāng)模型采用錨網(wǎng)噴支護(hù)時，巷道周邊圍巖的塑性區(qū)和破壞區(qū)均有不同程度的減小，同時巷道左側(cè)頂板和巷道右側(cè)出現(xiàn)了部分拉應(yīng)力區(qū)；當(dāng)模型采用錨網(wǎng)噴+錨索相耦合的支護(hù)方式后，巷道周邊圍巖塑性區(qū)和破壞區(qū)較支護(hù)之前有較明顯的減小，同時巷道左側(cè)頂板和右側(cè)底板區(qū)域出現(xiàn)大面積的拉應(yīng)力區(qū)，說明采用錨網(wǎng)噴+錨索耦合支護(hù)方式更能有效控制巷道變形。

3 支護(hù)效果

采用錨網(wǎng)噴+錨索耦合支護(hù)方案，從巷道周邊圍巖的應(yīng)力、位移及穩(wěn)定性特征證明該支護(hù)方式更能有效的控制巷道周邊圍巖的變形，采用錨網(wǎng)噴+錨索的耦合支護(hù)方式是可行的。改善了陳蠻莊煤礦類似巷道工作面環(huán)境，減少了巷道擴(kuò)修維護(hù)。

4 結(jié)語

4.1 當(dāng)巷道掘進(jìn)方向與最大水平主應(yīng)力平行時，受水平應(yīng)力影響最小，巷道頂板的主應(yīng)力、位移和破壞范圍明顯大于巷道兩幫及底板；當(dāng)巷道掘進(jìn)方向與最大水平主應(yīng)力垂直時，受水平應(yīng)力影響最大，巷道兩幫的主應(yīng)力、位移和破壞范圍明顯大于巷道頂、底板。

4.2 采用數(shù)值分析方法，獲得了深井巷道的錨網(wǎng)噴+錨索耦合支護(hù)技術(shù)。原巖應(yīng)力實測表明，工作面布置巷道與最大水平應(yīng)力夾角一般在40.16°～69.49°左右，巷道一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中而另一側(cè)應(yīng)力釋放，在巷道周邊圍巖破壞嚴(yán)重部位適時實施錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)方式可以加強(qiáng)深井巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。

4.3 原巖應(yīng)力實測表明巷道與最大水平主應(yīng)力方向夾角近乎垂直，受水平應(yīng)力影響較大，巷道周邊圍巖受采動影響，最大水平主應(yīng)力不斷增加，當(dāng)最大水平主應(yīng)力大于或等于臨界水平主應(yīng)力時，極易發(fā)生沖擊動力破壞，造成圍巖失穩(wěn)。原巖應(yīng)力實測結(jié)果既可以為沖擊危險的預(yù)測提供判據(jù)，同時也為采取解除危險的措施提供理論基礎(chǔ)。

［1］崔云龍.簡明建井工程手冊[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

［2］軟巖工程支護(hù)理論與技術(shù)[M].江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.