林南倉礦軟巖巷道變形控制技術及數值模擬研究

渾寶炬，陳曉坡

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室,河北 唐山 063009)

開灤林南倉礦-650m水平軌道石門巷道圍巖為泥質軟巖。由于巖體的裂隙發育，軟化膨脹明顯，巷道周邊更大范圍巖體進入破裂狀態[1]，伴隨著非線性大變形和流變，巷道變形穩定期大大延長，所需支護強度成倍提高[2-3]，巖巷變形控制難度極大。如何從變形機理的源頭上確定煤礦泥質軟巖巷道變形控制技術[4]，確保巷道斷面的正常使用，是林南倉礦開采向縱深發展和安全生產的關鍵[5]。

1 工程背景

林南倉礦主要開拓巷道位于-650m水平和-930m水平，深部開采的高地應力與低巖體強度之間的矛盾越發突出，巷道開挖造成的應力集中和重新分布導致更大范圍內的巖體進入峰后破裂狀態，表層圍巖產生非線性大變形，造成巷道壓力大、變形快，支護極為困難。據統計，全礦開拓巷道在三年內變形率達90%以上，平均返修率達到120%，個別地段返修率達到200%～300%，嚴重制約了礦井正常的生產銜接。

2 巷道圍巖變形機理分析

對林南倉礦-650m水平軌道石門典型段巷道圍巖，分別采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)等技術手段進行微觀分析，巷道變形較為劇烈的地段，軟巖特征明顯，巖性礦物構成以黏土礦物[4]為主，為53%～74%，而黏土礦物成分中的蒙脫石含量一般較高，為80%～89%。蒙脫石是一種強膨脹性礦物，膨脹性大大強于其他礦物，遇水后一般發生快速膨脹和泥化，一方面自身巖性參數因水解發生弱化，另一方面較大的膨脹壓力作用于錨固結構或表層支架上，超過其承載變形限度，兩方面的疊加使得支護區域發生結構性失穩，這是-650m軌道石門中大部分地段變形失控的重要機制。

綜合分析巷道工程的地質概況和圍巖的微觀實驗結果，林南倉礦-650m水平軌道石門支護難點主要有：①巷道埋深大，自重應力達到16.25MPa，且巷道處于地層向斜軸部位置，有一定的構造應力殘余，這使得支護結構承受較高的外在壓力；②圍巖礦物成分中蒙脫石含量極高，受小構造[5]和二次應力影響，導通了頂板的砂巖裂隙水，迎頭出水點處理不及時造成底板長期浸泡，水化作用下黏土礦物晶體急劇膨脹，巖性弱化，支護結構加速失穩；③大小構造切割多，造成巷道圍巖原生裂隙多，受開挖擾動和支護強度不足影響，微裂隙相互貫通，部分錨桿錨固力受到弱化，影響了支護強度。

3 支護方案設計

壁后充填能優化支架受力分布，避免局部點線受力，支架總體受力性能可提升一倍左右，是一種控制破碎大變形圍巖的有效手段。結合林南倉礦-650m水平軌道石門的現場施工條件，確定采用錨噴護頂進行臨時支護、29U架棚壁后充填、關鍵點強化進行永久支護。

具體支護參數為：棚距600mm,斷面13.36m2,拱形29U金屬支架，壁后充填厚度200mm，拱頂采用規格Φ20mm×2000mm、間排距800mm×600mm HR335右旋螺紋鋼錨桿臨時護頂和永久支護，棚腿采用同規格錨桿一腿一卡兩桿進行鎖腿，水化膨脹段的棚檔間用長度5300mm直徑Φ15.24mm錨索進行墻體補強，配合400mm×400mm厚度14mm的大托盤強力護表，注漿錨桿規格為Φ20mm×1.8m，間排距1500mm×1500mm，注漿用P.O42.5水泥，水灰比0.7～1.1，注漿壓力為1.5～2.5MPa，底角注漿壓力不大于3MPa。

4 數值模擬分析

采用FLAC3D數值模擬軟件對支護方案進行數值模擬，數值計算以壁后充填條件下的錨桿或架棚排距實況，分軸向長度6.0m、7.0m和8.0m分別進行建模，錨桿和錨索采用加預應力的Cable結構單元模擬，架棚支架采用beam結構單元分段連接，混凝土澆筑襯砌采用Shell結構單元模擬，注漿強化采用漿液擴散范圍內參數定比強化法進行模擬。模型計算的左右面邊界、前后面邊界均設為滾動支撐位移約束，分別約束X方向和Y方向；模型底面為位移約束，僅約束垂直方向Z的位移；上面為應力加載，巖體按均勻自重應力大小施加，密度為2.5×103kg/m3，巷道埋深為-650m，安裝測定地應力進行加載。考慮模型高度達60m，重力影響級別為0～1.5MPa，確定豎直方向Z設定初始應力。

本次模擬的研究主要針對壁后充填支護效果進行分析，巖體力學參數見表1，軟化系數取50%，架棚模擬參數和錨桿(索)模擬參數見表2和表3。

表1 計算模型巖體力學參數

表2 架棚模擬參數

表3 錨桿(索)模擬參數

圖1 塑性區分布及錨桿索受力

圖2 最大主應力分布

圖3 位移分布

圖4 結構單元受力分布

圖1為壁后充填支護中，采用鎖腿錨桿和幫部錨索進行補強的塑性區分布狀態，過去塑性和現在塑性區呈現全斷面均勻厚度分布，幫頂部厚度2.47m，大于頂板錨桿和鎖腿錨桿長度，底部稍大為5.35m，說明該類支護對于控制幫頂破碎區的控制能力要大大強于底板，錨桿錨固區外的離層破碎應引起重視，在表層出現了一圈厚度0.48m的拉屈服區域。圖2為最大主應力的分布云圖，淺部的應力降低區為類矩形分布態勢，幫頂厚度約為錨桿長度2.0m，底板應力降低區范圍則遠大于幫頂，達到5.6m，外層的應力升高區為圓環形分布，最大壓力為25.062MPa。圖3為位移分布云圖，幫部和底板位移大于頂板，最大位移9.23cm，位于起拱線附近和底板中央。圖4為錨桿、錨索及架棚受力分布狀況，錨桿受力達到極限拉力105kN，峰值錨索受力達到165.3kN，各部位的錨桿和錨索受力較為均勻，棚腿直線段和頂板為負彎矩區域，兩個肩角為正彎矩區域，最大值495.9kN·m位于棚腿直線段，說明幫部錨索的存在對于起拱線處的內移起到了很好的限制作用，而鎖腿錨桿對于棚腳部位的位移有一定控制，因長度稍短形成錨固區外的整體移動，限制狀況由固定約束向可動約束過渡，產生了較大的彎矩值。

5 支護效果分析

根據林南倉礦-650m水平軌道石門礦壓觀測資料，巷道采用壁后充填支護技術后，巷道頂底板收斂小于130mm，兩幫收斂小于100mm，測點的巷道變形速度小于0.5mm/d，并很快達到穩定狀態，支護技術較好地控制了巷道圍巖的變形。

6 結論

1)林南倉礦-650m軌道石門穿層巖性變化大，主要為高蒙脫石含量的泥化巖層，巷道圍巖遇水膨脹，自承能力低，單一錨網噴支護不能實現穩定支護。

2)29U架棚壁后充填，并結合幫部錨索強化、鎖腿錨桿，能較好應對泥質軟巖巷道變形，支護強度設置較為合理，能起到比較好的支護效果。

3)FLAC3D模擬出的支護效果分析與現場實測的結果比較吻合，模擬計算的結果可以彌補單一現場監測方法存在的預見性較弱的缺陷，對巷道支護提供科學地理論依據。

[1]錢鳴高，石平武.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]陳曉坡，渾寶炬，劉建莊，等.石門巷道混凝土澆筑技術設計與實踐[J].煤炭科學技術，2012，40(11)：58-60，65.

[3]宋振宇.深部高應力強底鼓巷道錨網支護技術[J].煤炭技術，2006(9)：78-79.

[4]錢鳴高，石平武.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社.

[5]陳曉坡，劉建莊，渾寶炬，等.過斷層巷道修復技術研究與實踐[J].煤礦安全，2012,43(11):77-80.