深部大巷圍巖支護優化設計研究

李春生

（汾西礦業集團生產處，山西 介休 032000）

1 回風大巷概況

圖1 北翼回風巷預測剖面圖（m）

掘進過程中實際揭露的巖層來看，巷道主要位于泥巖互層中，整體性差，分層明顯且單層厚度薄，層間為砂質泥巖膠結，而且巷道施工中常遇到小的地質構造，如小斷層、小褶曲等，工程條件差。結合現場區域構造情況，北翼回風大巷處于高應力及破碎圍巖中，受滑動構造的影響，巷道成型差、施工困難，變形嚴重［1］。

2 支護方案的數值模擬分析

2.1 數值模型的建立

1）模型的建立。根據某煤礦北翼回風大巷的現場實際地質狀況及覆巖特征將數值計算模型進行簡化并留設合理邊界尺寸消除邊界效應，設計模型大小為50m×15m×100m（長×寬×高），模型共劃分50 145個單元，54 992個節點。模型四個側面為水平移動邊界，底部為固定邊界，上邊界設為應力邊界，載荷大小為700m埋深的上覆巖層自重約為17.5MPa，側壓系數λ＝1.5。

2）圍巖力學參數。根據圍巖力學參數試驗測試結果，力學參數取值表（見表1）。

表1 模型力學參數取值表

3）模型支護參數。本次數值模擬，在模型中根據理論計算的支護方案進行數值模擬分析，錨桿采用Φ22mm×3 000mm間排距750mm×750mm；錨索采用Φ17.8mm×6 300mm間排距1 500mm×1 500mm。

2.2 數值模擬計算結果及分析

1）巷道圍巖應力變化特征分析。巷道周圍巖體在巷道開挖之后由三向受力狀態轉化為兩向或近似兩向的受力狀態，且應力的重新分布造成了巖石強度的大幅度變化甚至降低。圍巖水平應力、垂直應力及最大主應力的變化特征都可有效地映射巷道圍巖系統的整體穩定性能［2］。在選取模型y方向7.5m處進行圍巖應力的變化分析可更好地消除邊界效應的影響。

第一，巷道圍巖最大主應力分析。從圖2和圖3可以看出，巷道圍巖最大主應力分布呈現出不均勻的分布特點，巷道周圍4m以外應力達到17.5MPa，近似為原巖應力。巷道周圍2m以內形成應力降低區，其值約為原巖應力的13%～53%，在巷道兩幫及底板尤為明顯，最小應力達到2MPa。

圖2 巷道圍巖最大主應力分布云圖

圖3 巷道圍巖最大主應力分布等值線圖

第二，巷道圍巖垂直應力分析。從圖4和圖5中可以看出：大巷頂板錨桿錨固范圍內垂直應力較小，其值約為原巖應力17.5MPa的30%～50%，其為應力降低區，分布明顯呈非對稱性分布，整體來看巷道右側壓力峰值及高應力區域范圍都明顯大于巷道左側，巷道右側應力峰值為26MPa，為原巖應力17.5MPa的1.5倍，巷道左側應力峰值為22MPa，為原巖應力的1.3倍；距離巷道 左 幫1.5m 以 內 為 應 力 降 低 區，1.5～6.0m范圍內為應力增高區；距離巷道右幫2m以內為應力降低區，2～8m范圍內為應力增高區。

圖4 巷道垂直應力分布云圖

圖5 巷道圍巖垂直應力等值線圖

第三，巷道圍巖水平應力分析。從圖6和圖7中整體來看水平應力在巷道頂底板形成應力集中，在巷道兩幫形成應力降低區域，并且底板的高應力區域明顯大于頂板，右幫的低應力區域明顯大于左幫［3］。

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圖6 巷道水平應力分布云圖

圖7 巷道圍巖水平應力等值線圖

水平應力在巷道頂板2～5m范圍內形成應力集中，應力峰值達到30MPa為原巖水平應力22.5MPa的1.3倍；在巷道底板3m～10m范圍內形成應力集中，應力峰值達到30MPa為原巖水平應力的1.3倍；在巷道左幫2m范圍內形成應力降低區，其值約為原巖水平應力的20%～45%，最小應力達到5MPa；在巷道右幫2.5m范圍內形成應力降低區，其值約為原巖水平應力的20%～45%，最小應力達到5MPa。

2）巷道圍巖位移特征分析。

第一，巷道圍巖頂底板位移量特征分析。從圖8和圖9中可以看出，巷道無支護的底板位移量顯著大于頂板，巷道頂板位移量最大達到40mm，底板最大位移量達到140mm，大約是頂板位移量的3.5倍。符合水平應力在底板高應力區域顯著大于頂板的特征。

圖8 巷道圍巖z方向位移云圖

圖9 巷道圍巖z方向位移矢量圖

第二，巷道圍巖兩幫位移量特征分析。從圖10和圖11中可以看出，巷道右幫位移量明顯大于左幫，左幫最大位移量達到50mm，右幫最大位移量達到80mm約為左幫位移量的1.6倍，符合巷道右側垂直應力分布的高應力區域大于左側的特征。

圖10 巷道圍巖x方向位移云圖

圖11 巷道圍巖x方向位移矢量圖

圖12 巷道圍巖塑性區分布圖

第三，巷道圍巖塑性區特征分析。從圖12可以看出，巷道圍巖塑性區范圍在巷道周圍2m范圍內，并且都在錨桿、錨索的控制區域以內，說明這種支護方式起到了很好的支護效果，控制了圍巖塑性區的發展。但是高水平應力影響下巷道底板由于未進行有效的支護措施，導致底板位移塑性區范圍達到底板以下6m左右，需要加強底板支護措施［4］。

3 支護方案優化

3.1 一次支護參數設計

一次支護設計采用錨桿支護方式。

1）錨桿及錨固劑：錨桿采用Φ22mm×3 000mm型，巷道下幫肩部錨桿矩形布置間排距為650mm×750mm，巷道上幫肩部錨桿矩形布置間排距為750mm×750mm，巷道兩幫錨桿矩形布置間排距750mm×750mm，其中接近底板下幫錨桿下扎45°，上幫錨桿下扎30°。錨桿外露長度50mm，每根錨桿配2卷中速Z2350樹脂錨固劑加長錨固，托盤采用150mm×150mm的正方形8mm厚鋼板壓制成弧形，錨桿均采用配套標準螺母緊固，每根錨桿錨固力不小于12t。加大錨桿預緊力起到主動支護的效果，預緊力應達到3～5t。

2）網片設計采用鋼絲網，網要壓茬連接，搭接不小于100mm，相鄰兩塊網片之間用10號鐵絲相連接，連接點布置均勻，間距200mm。

3）射混凝土采用普通硅酸鹽水泥，砂為純凈的中砂，石子顆粒直徑為5～10mm。噴射混凝土設計抗壓強度：C20，配合比為水泥∶砂∶石子＝1∶2∶2。速凝劑型號為J85型，摻入量為水泥重量的2%～3.5%，噴射厚度為150mm。

3.2 二次支護參數設計

結合巷道變形量累計值、變形速度、施工時間及施工工序等綜合確定二次支護時間。

二次支護方式：“錨索＋W型鋼帶”加強支護，必要時增加桁架支護。

錨索參數：Φ17.88×6 300mm 錨索（鋼鉸線），錨固長度1 500mm，錨固力應達到300kN。

布置方式：錨索滯后迎面20m全斷面打錨索，間排距1 500mm×1 500mm。

桁架暫考慮用“W”鋼帶，沿巷道縱向布置。

4 結論

通過對某礦北翼回風大巷破壞原因進行分析，提出了采用等強度錨網索主動支護體系，并通過FLAC3D數值模擬進行模擬分析，主要得出以下結論：

1）理論計算了巷道錨桿錨索各技術參數。錨桿采用 MSGLD－335／Φ22mm×3 000mm等強螺紋鋼式樹脂錨桿，2卷Z2350型中速樹脂藥卷加長錨固，間排距750mm×750mm，采用150mm×150mm的托盤；錨索采用Φ17.8mm×6 300mm的鋼絞線，間排距1 500mm×1 500mm，每排3根；單根錨索配4根Z2350型中速樹脂藥卷加長錨固，托盤采用15mm厚鋼板，規格300mm×300mm。

2）通過建立FLAC3D數值模型進行實驗室模擬研究，分析得出在采用等強度錨網索主動支護后北翼回風大巷整體穩定性較好，巷道圍巖塑性區及位移矢量范圍減小，巷道變形得到有效地控制。但是高水平應力影響下巷道底板由于未進行有效的支護措施，導致底板位移塑性區范圍達到底板以下6m左右，底板最大位移量達到140mm，需要加強底板支護措施［5］。

［1］ 張曙光.朝川礦一井回采巷道支護技術研究［D］.河南理工大學碩士學位論文，2012.

［2］ 柏建彪，侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應用研究［J］.中國礦業大學學報，2006，35（2）：45－49.

［3］ 于學馥，鄭穎人.地下工程圍巖穩定分析［M］.北京：煤炭工業出版社，1983.

［4］ 高峰.地應力分布規律及其對巷道圍巖穩定性影響研究［D］.江蘇：中國礦業大學，2009.

［5］ 樊榮金.地應力在錨桿支護設計中的應用［J］.礦山壓力與頂板管理，2004（1）：13－14.