安徽潘二礦東二采區(qū)膠帶機(jī)巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)*

李金蘭　劉　濱　李中楠

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；5.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

井底車場是連結(jié)井下運(yùn)輸和井筒提升的樞紐，作為煤炭礦井主要的運(yùn)輸、軌道、聯(lián)絡(luò)、通風(fēng)巷道，巷道之間聯(lián)系密切，形成了復(fù)雜的巷道群體系。煤礦開采進(jìn)入深部后，由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及巷道群近距離開挖時的擾動影響，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性與巷道開挖過程存在密切相關(guān)性。在巷道圍巖開挖過程中，開挖順序會對相鄰巷道的破裂損傷區(qū)、應(yīng)力擾動區(qū)的分布范圍和圍巖破壞損傷程度產(chǎn)生明顯影響。為確保巷道開挖安全、順利進(jìn)行，各巷道之間的開挖順序一直是巷道群整體穩(wěn)定性研究的重點(diǎn)[1-6]。

針對開采順序影響巷道穩(wěn)定性的問題，楊萬斌等[7]采用非線性有限元數(shù)值計(jì)算方法，研究了不同開挖順序下大跨度全煤巷道的應(yīng)力、位移分布特征和圍巖破壞范圍的變化規(guī)律；程樺等[8]以朱集煤礦為例，采用廣義的Hoek-Brown準(zhǔn)則估算了巖體的力學(xué)參數(shù)，根據(jù)硐室群的施工條件，運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃理論優(yōu)選了深埋硐室群的最佳施工順序；李家卓等[9]以張集煤礦1113(1)工作面軌道巷為例，分析了軌道巷多次擾動失穩(wěn)機(jī)理，并對煤層群臨近層多工作面的回采順序進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，再現(xiàn)了不同開采順序下的底板動壓回采巷道的圍巖力學(xué)環(huán)境；張毅等[10]利用FLAC3D軟件，模擬分析了趙莊礦皮帶硐室群在不同開挖順序下圍巖變形特性和應(yīng)力特征，并提出了相應(yīng)的支護(hù)對策；此外，徐文斌等[11]，李璐等[12]，郭進(jìn)平等[13]也開展了相關(guān)研究工作，成果豐碩。本研究以潘二礦東二采區(qū)井底車場巷道群為研究對象，根據(jù)3條巷道的空間位置關(guān)系，擬定了3種比較典型的開挖方案，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，通過分析不同開挖順序下圍巖的應(yīng)力場、位移場及塑性破壞區(qū)的差異，優(yōu)選出對圍巖穩(wěn)定性影響最小的最佳開挖順序，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合深部巖巷支護(hù)理論對膠帶機(jī)巷的支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1　工程概況

潘二礦東二采區(qū)井底車場巷道群的3條目標(biāo)大巷(軌道巷、膠帶機(jī)巷、回風(fēng)巷)處于-520 m水平，且巷道布置于11#煤層底板。巷道圍巖巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、含炭泥巖、薄煤層以及弱膠質(zhì)砂巖，屬于極高地應(yīng)力區(qū)，巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石破碎，遇水易軟化、泥化。原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)為巷道斷面為直墻半圓拱形，半圓拱凈斷面規(guī)格為2 550 mm×1 500 mm(寬×高)，巷道整體凈斷面規(guī)格為5 100 mm×4 050 mm(寬×高)。東二采區(qū)膠帶機(jī)大巷位于-517 m 水平，其兩側(cè)分別布置有-502 m回風(fēng)大巷及-522 m軌道運(yùn)輸大巷，各巷道的位置關(guān)系見表1，平面關(guān)系見圖1。

表1　膠帶機(jī)大巷與相鄰巷道的位置關(guān)系　m

圖1　井底車場平面布置示意

2　巷道開挖方案數(shù)值模擬分析

2.1　數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)潘二礦工程地質(zhì)特征和東二采區(qū)巖層層位分布情況，并結(jié)合3條平行巷道的位置(沿X軸正向依次為軌道巷、膠帶機(jī)巷、回風(fēng)巷)以及巷道斷面規(guī)格，本研究應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，構(gòu)建了與工程地質(zhì)實(shí)際情況等效的數(shù)值模型(圖2)，模型幾何尺寸為200 m×90 m×150 m(長×寬×高)，模型共有171 500個單元，191 464個節(jié)點(diǎn)。

圖2　數(shù)值模型

根據(jù)相關(guān)測試數(shù)據(jù)，模型煤巖層物理力學(xué)參數(shù)取值見表2，計(jì)算模型材料采用Mohr-coulomb彈塑性本構(gòu)模型。該模型周圍各邊界均采用水平位移約束，底部采用固定位移約束。現(xiàn)場實(shí)測原巖水平主應(yīng)力為20.8 MPa，側(cè)壓力系數(shù)為1.65，相應(yīng)的垂直向主應(yīng)力為12.6 MPa。

表2　模型煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)

2.2　巷道開挖方案

由于井底車場巷道群布置的特殊性，巷道群施工一般是并行開挖，開挖順序不同，將引起圍巖應(yīng)力場和位移場產(chǎn)生較大差異。本研究設(shè)計(jì)了3種巷道開挖方案：方案Ⅰ為軌道巷→膠帶機(jī)巷→回風(fēng)巷，方案Ⅱ?yàn)槟z帶機(jī)巷→軌道巷→回風(fēng)巷，方案Ⅲ為軌道巷→回風(fēng)巷→膠帶機(jī)巷。

2.3　方案數(shù)值模擬分析

2.3.1巷道應(yīng)力分布特征

巷道群開挖會引起圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致周圍巖體發(fā)生變形破壞，應(yīng)力重分布后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)與圍巖破壞程度和破壞模式密切相關(guān)。3種開挖方案對應(yīng)的巷道垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布特征分別如圖3、圖4所示。通過對比分析圖3、圖4可知：①不同的開挖順序?qū)ο锏廊旱拇怪睉?yīng)力、水平應(yīng)力疊加有一定的影響，但3種開挖順序所引起的各方向應(yīng)力的大小、分布狀態(tài)和擴(kuò)散形式基本相同；②垂直應(yīng)力在巷道群邊墻兩側(cè)形成了范圍較大的高值應(yīng)力區(qū)，在拱頂和底板形成了半環(huán)狀的應(yīng)力降低區(qū)；③水平應(yīng)力在巷道頂板和底板較深圍巖內(nèi)形成了應(yīng)力集中區(qū)，在巷道近表圍巖內(nèi)形成了較大范圍的應(yīng)力降低區(qū)。

圖3　巷道群垂直應(yīng)力分布特征

2.3.2巷道變形特征

3種開挖方案對應(yīng)的巷道總位移如圖5所示。由圖5可以看出受巷道開挖擾動的影響，3條巷道出現(xiàn)了不同程度的頂板下沉、底鼓和兩幫收斂等現(xiàn)象，各方案對應(yīng)的總位移在分布形態(tài)上相差較小。為直觀地反映不同開挖順序?qū)ο锏捞厥夤こ滩课?頂板、邊墻、底板)的影響，表3給出了3種方案對應(yīng)的巷道不同部位的位移值。

圖4　巷道群水平應(yīng)力分布特征

分析圖5、表3可知：①在3種開挖方案中，巷道群最大位移值均出現(xiàn)于膠帶機(jī)巷(中間巷道)拱頂和底板中部，其中拱頂處位移值為299.4～328.3 mm，底板處位移值為280.2～339.2 mm；②方案Ⅰ中回風(fēng)巷、膠帶機(jī)巷邊墻變形最小，軌道巷底板和頂拱變形最大，方案Ⅱ中膠帶機(jī)巷底板、邊墻變形最大，方案Ⅲ中軌道巷頂拱變形最大，總體上，方案Ⅱ?qū)?yīng)的總位移值最大，方案Ⅰ次之，方案Ⅲ最小；③從開挖順序?qū)Ω飨锏赖挠绊憗砜矗鞣桨钢凶詈箝_挖的巷道受到的影響最小，對中間巷道(膠帶機(jī)巷)的影響最大。

圖5　巷道群總位移

2.3.3塑性破壞區(qū)分布特征

巷道群開挖完畢后，由于應(yīng)力重分布后二次應(yīng)力場的不同，圍巖破損區(qū)的破壞程度、破壞范圍和分布特征也有所不同，進(jìn)而對各部位(底板、頂板、邊墻)圍巖穩(wěn)定性的影響也存在差異。各方案對應(yīng)的巷道群圍巖塑性破壞區(qū)的分布特征如圖6所示。

通過分析圖6可知：①底板是圍巖破壞范圍最大的部位，方案Ⅱ中膠帶機(jī)巷(中間巷道)的破損區(qū)范圍最大，破壞區(qū)直徑達(dá)到7.2 m，方案Ⅰ次之，方案Ⅲ中軌道巷的破壞范圍最小；②開挖順序?qū)Φ装迳畈繃鷰r的破壞類型也有影響，方案Ⅰ中，膠帶機(jī)巷底板右側(cè)深部圍巖的較多單元進(jìn)入峰后破碎狀態(tài)；方案Ⅲ中，膠帶機(jī)巷底板圍巖的部分單元進(jìn)入剪切屈服破壞階段，很少有單元進(jìn)入拉破壞階段；③各方案中底板表層圍巖均發(fā)生了不同程度的剪切和拉伸破壞，就底板的破損區(qū)范圍而言，方案Ⅱ>方案Ⅰ>方案Ⅲ。

圖6　巷道群圍巖塑性破壞區(qū)分布特征

進(jìn)一步分析圖6可知：巷道頂拱的圍巖破壞類型和破壞區(qū)與底板相似，3種方案中，膠帶機(jī)巷拱角處圍巖破壞區(qū)范圍大，破壞程度嚴(yán)重，而拱中心處的破壞范圍相對較小；兩側(cè)拱角和拱中心的圍巖破壞類型與底板類似，巷道頂拱表層圍巖也有拉伸和剪切破壞現(xiàn)象，但范圍較小，就3種方案對應(yīng)的頂拱圍巖產(chǎn)生的破壞區(qū)域面積而言，方案Ⅲ>方案Ⅰ>方案Ⅱ。巷道邊墻的破損區(qū)遵循由上至下依次減小的規(guī)律，與頂拱交界處的塑性破壞區(qū)范圍最大，與底板交界處的塑性破壞區(qū)最小，破壞區(qū)直徑為4.5～6.8 m。就邊墻的破壞范圍大小而言，方案Ⅱ>方案Ⅰ>方案Ⅲ。

上述分析表明，開挖順序?qū)ο锏廊簢鷰r在開挖過程中的穩(wěn)定性具有顯著影響，但巷道總體的應(yīng)力場、位移場變化較小。但在巷道的特殊部位(底板、頂板、邊墻)，不同的開挖順序在位移值以及塑性破壞區(qū)范圍、破壞程度和破壞類型等方面存在明顯差異，對局部乃至整個工程設(shè)計(jì)和施工都產(chǎn)生了重大影響。由于巷道群施工過程中存在施工時間緊張、工作空間小等問題，巷道底板往往無法得到及時支護(hù)，而頂部和拱肩支護(hù)施工較為及時，因此綜合考慮各方面因素，本研究認(rèn)為方案Ⅲ為最優(yōu)開挖順序。

3　支護(hù)方案及實(shí)施效果

3.1　支護(hù)方案設(shè)計(jì)

本研究依據(jù)深部巖巷支護(hù)理論[14-15]，設(shè)計(jì)了錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案。支護(hù)施工工序?yàn)椋孩偎U(kuò)臥底；②錨網(wǎng)噴，噴射150 mm厚混凝土；③淺孔注漿(幫頂)；④深孔注漿(幫頂)；⑤幫頂采用預(yù)應(yīng)力錨索加固。

3.1.1錨桿支護(hù)

根據(jù)該礦前期錨桿支護(hù)受力狀況和圍巖特性，采用規(guī)格為φ22 mm×2 800 mm錨桿進(jìn)行支護(hù)，間排距為1 000 mm×1 000 mm(圖7)，配有規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm(長×寬×高)托盤，預(yù)應(yīng)力為50 kN，錨桿抗拔力不小于100 kN，扭矩不小于120 N·m。每孔使用2卷Z2850型樹脂藥卷。鋼筋網(wǎng)規(guī)格為φ6.5 mm，2 300 mm×1 200 mm(長×寬)，網(wǎng)孔規(guī)格150 mm×150 mm，壓茬、搭接長度均為100 mm，用12#鐵絲聯(lián)網(wǎng)。在巷道兩幫墻腳底板往上0.2～0.3 m處各施工1根幫腳錨桿(俯角30°～45°)，起到加固幫腳應(yīng)力集中區(qū)，阻止圍巖剪切滑移的作用。

圖7　錨桿布置示意

3.1.2幫頂淺孔注漿

注漿管長0.5 m，注漿孔深1 m，排距2.1 m，跟據(jù)巷道斷面尺寸確定間距，膠帶機(jī)巷為1.3 m，軌道巷和回風(fēng)巷為1.5 m(圖8)。每個斷面布置7根注漿管，注漿壓力為1.5 MPa，注漿孔封孔長度為0.3 m。采用7655型或YT-27型風(fēng)錘造孔，鉆頭直徑為42 mm。

圖8　注漿孔布置示意

3.1.3幫頂深孔注漿

注漿孔長5 m，注漿管長3 m，排距2.1 m，間距膠帶機(jī)巷為1.3 m，軌道巷和回風(fēng)巷為1.5 m(圖8)。每個斷面共布置10根深孔注漿管(幫頂共8根，底板2根)，注漿壓力大于4.0 MPa，注漿孔封孔長度為0.5 m。鉆眼可采用MQT系列錨桿鉆機(jī)施工，鉆頭直徑為42 mm。

3.1.4錨索支護(hù)

錨索材質(zhì)為低松弛鋼絞線，規(guī)格為φ21.8 mm×6 300 mm，排距2.1 m，間距大斷面為2.3 m，小斷面為1.9 m(圖9)。每個斷面布置5根錨索，配合規(guī)格為400 mm×400 mm×15 mm(長×寬×高)大托盤安裝，預(yù)緊力為150 kN，抗拔力不低于350 kN。每孔使用4卷Z2850型樹脂藥卷。錨索眼打齊后，裝入樹脂藥卷，插入錨索線，送錨索線時應(yīng)注意輕送，防止藥卷破裂，藥卷送入眼底后安裝錨索攪拌器，開動錨索機(jī)攪拌，攪拌速度應(yīng)由慢到快，時間不少于50 s(藥卷送入孔底后攪拌時間不宜小于15 s)，卸下鉆機(jī)，0.5 h后起用墊板及鎖具，最后用手動(電動)油泵配合YCD卡式千斤頂張拉錨索，預(yù)緊力為150 kN[16-17]。

圖9　錨索布置示意

3.2　巷道支護(hù)效果

支護(hù)方案實(shí)施后，膠帶機(jī)巷圍巖表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。分析圖10可知：巷道圍巖變形速率均控制在0.1 mm/d以下，水平收斂量、拱頂下沉量和底鼓量變化均趨于穩(wěn)定，表明本研究所提出的錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案對于巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果較理想。

4　結(jié)　語

為對安徽潘二礦東二采區(qū)膠帶機(jī)巷圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行有效控制，對該礦東二采區(qū)井底車場巷道群在不同開挖順序下的圍巖應(yīng)力場、位移場及塑性破壞區(qū)的分布特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，優(yōu)選出了最佳開挖順序。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案，通過選取合理的支護(hù)參數(shù)，有效控制了巷道圍巖變形，對于類似礦山巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)有一定的借鑒價值。

圖10　膠帶機(jī)巷表面位移變化特征

[1]何滿潮，李國峰，任愛武，等.深部軟巖巷道立體交叉硐室群穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，37(2)：167-170.

[2]王其洲，謝文兵，荊升國，等.構(gòu)造復(fù)雜區(qū)硐室群圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2014，31(2)：263-269.

[3]蔡海兵，程樺，榮傳新，等.復(fù)雜條件下深井馬頭門圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].采礦與安全工程學(xué)報，2015，32(2)：298-304.

[4]張大鵬，王震鎖.保護(hù)煤柱下近距離煤層巷道穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(11)：13-16.

[5]常寶孟，韓斌，李濤，等.錨噴支護(hù)條件下膨脹巖巷道穩(wěn)定性研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(9)：48-52.

[6]閆永青.某礦三軟煤層18 m煤柱下巷道穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017(9)：89-92.

[7]楊萬斌，蔡美峰，郭延華.大跨度全煤巷道開挖順序數(shù)值模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2006，23(4)：437-441.

[8]程樺，蔡海兵，吳丹.煤礦深立井連接硐室群施工順序優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，34(8)：1202-1206.

[9]李家卓，張繼兵，侯俊領(lǐng)，等.動壓巷道多次擾動失穩(wěn)機(jī)理及開采順序優(yōu)化研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2015，32(3)：439-445.

[10]張毅，劉波，王響貴，等.開挖順序?qū)鲜胰簢鷰r穩(wěn)定性影響及支護(hù)對策[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，35(4)：445-450.

[11]徐文彬，宋衛(wèi)東，杜建華，等.金屬礦山底部結(jié)構(gòu)巷道群開挖擾動穩(wěn)定性分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2014(3)：689-696.

[12]李璐，陳秀銅.大型地下廠房洞室群施工開挖順序及圍巖穩(wěn)定分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016(S1)：5-12.

[13]郭進(jìn)平，王小林.夾角和開挖順序?qū)Ξ愋蜗锏澜徊睃c(diǎn)穩(wěn)定性的耦合影響[J].有色金屬：礦山部分，2017，69(6)：67-70.

[14]袁亮，薛俊華，劉泉聲，等.煤礦深部巖巷圍巖控制理論與支護(hù)技術(shù)[J].煤炭學(xué)報，2011，36(4)：535-543.

[15]劉泉聲，劉學(xué)偉，黃興，等.深井軟巖破碎巷道底臌原因及處置技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報，2013，38(4)：566-571.

[16]徐有全，賈尚昆.丁集礦復(fù)雜條件下回采巷道掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)[J].金屬礦山，2011(12)：44-46.

[17]郝軍，成小雨.余吾礦區(qū)深部半煤巖巷道圍巖控制技術(shù)研究[J].煤，2015(12)：68-71.