復雜應力條件下軟巖煤巷支護技術對比研究

孫 珞

(北京工業職業技術學院，北京市石景山區，100042)

煤層巷道軟巖頂板由多種節理化軟巖互層組成，結構松散，局部含有硬巖條帶，多含煤線，強度低，難以支護。斷層附近易形成復雜應力場，受斷層構造應力的影響，斷層周圍圍巖破碎嚴重，應力集中程度較大，穩定時間短，需多次返修，巷道支護難題突出。軟巖巷道開挖后由三向應力轉換為二向應力，巷道圍巖應力重新分布，在巷道周圍產生張拉或剪切應力區，通常采用傳統錨桿錨網索支護，在巷道周圍形成壓應力區相互疊加，用以控制巷道圍巖的變形與穩定。對于斷層影響下的軟巖巷道，只采用錨桿錨網索支護無法在破碎圍巖巷道的周圍形成平衡拱。若僅增加錨桿錨索預緊力，穩定時間短，巷道維修頻繁，通過優化錨網支護承載結構可以有效控制巷道變形。

本文從增加錨網索預緊力及優化整體錨網索支護承載結構兩方面考慮，以古城煤礦1309工作面運輸平巷掘進面為工程背景，運用高強預緊力錨網索桁架支護方式對復雜應力場軟巖煤巷進行支護，采用FLAC3D數值模擬方法對巷道變形進行分析并優化支護系統。

1 工程背景

古城煤礦1309工作面北鄰井田邊界，南鄰1310工作面(未開采)，西鄰運輸上山和軌道上山，東鄰礦井未開采區域。1309工作面布置如圖1所示，采深490～560 m，地面標高+54.7～+55.8 m，煤層厚度4.1 m，傾角4°～18°，煤層普氏硬度f=2～3，結構簡單。煤層頂板為砂質泥巖，厚度4.1～4.5 m，塊狀結構，巖石普氏硬度f=5～6。1309工作面運輸平巷掘進時揭露F2斷層，斷層傾角54°，落差20 m。斷層影響區內的煤層巷道，在斷層構造應力的作用下易形成較大的塑性破壞區，巷道穩定性較差。因此，本文采用FLAC3D數值模擬方法對高強預緊力錨網索桁架巷道支護進行模擬分析，并設置巷道無支護、傳統錨桿支護作為對比組，研究并對比分析了3種不同支護方式下圍巖應力及變形情況。

圖1 工作面布置圖

2 模型設計與監測點布置

2.1 模型建立

以古城煤礦1309工作面為背景，運用FLAC3D數值模擬軟件，分別分析了巷道在無支護、傳統錨桿支護及錨網索桁架支護技術時的巷道圍巖變形。模型尺寸為300 m×96 m×82 m。模型頂端施加均布載荷12.7 MPa，根據現場監測，水平側壓系數取0.5，水平應力為7.4 MPa，利用摩爾庫倫準則進行應力計算，數值模擬模型示意圖如圖2所示。

圖2 數值模擬模型示意圖

2.2 監測點布置

為監測斷層影響區下巷道掘進期間圍巖應力及變形，在巷道頂板及兩幫布置位移監測點。

3 巷道圍巖應力及變形分布規律

3.1 復雜應力場對巷道圍巖影響分析

隨著巷道向斷層推進，受斷層復雜構造應力的影響，巷道周圍形成明顯的應力集中現象，如圖3所示。由圖3可知，巷道掘進至距斷層20 m時，巷道頂底板及前方應力峰值分別為31.47 MPa、29.68 MPa和32.95 MPa，巷道前方應力集中程度明顯大于巷道頂底板，巷道周圍應力處于不規則分布狀態。

圖3 巷道掘進時圍巖應力分布云圖

3.2 無支護條件下巷道頂板變形情況

為優化巷道支護方案及分析斷層對巷道的影響范圍，模擬了無支護狀態下，斷層下盤巷道向斷層推進時及過斷層后的巷道圍巖變形情況如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出，斷層下盤巷道向斷層推進時，巷道頂板巖層與斷層破碎帶之間形成倒鍥形結構。受倒鍥形結構運動影響，下盤巷道距斷層18 m處出現影響巷道變形最大點，斷層下盤巷道頂板，在距斷層0～40 m范圍內位移變化較為明顯。

由圖5可以看出，巷道過斷層后，斷層破碎帶處巷道頂板出現明顯的冒頂現象。進入斷層上盤后，在過斷層后0～40 m范圍內頂板位移變化明顯。

圖4 巷道掘進至斷層時頂板位移分布

圖5 巷道過斷層40 m頂板位移分布

無支護條件下巷道圍巖變形曲線如圖6所示。由圖6可以看出，無支護條件下巷道圍巖變形較為嚴重，斷層下盤巷道最大變形分別為475 mm、387 mm和336 mm，進入斷層影響區后巷道變形速率迅速增加，斷層破碎帶附近頂板最大移近量為961 mm，左幫和右幫最大移近量分別為841.8 mm和497 mm。巷道通過斷層破碎帶后，巷道圍巖變形速率逐漸減小，巷道圍巖變形穩定在230～250 mm范圍內。

圖6 無支護時巷道圍巖變形曲線

3.3 傳統錨桿支護條件下巷道圍巖變形情況

傳統巷道支護時巷道圍巖變形曲線如圖7所示。由圖7可以看出，采用傳統錨桿對巷道進行支護時，巷道頂板及兩幫變形量較大，無法達到控制巷道圍巖變形的效果。斷層下盤巷道向斷層推進時頂板、左幫、右幫的最大位移量分別為128 mm、117 mm和112 mm。巷道掘進至斷層破碎帶時，頂板、左幫、右幫的最大變形位移分別為319 mm、273 mm和160 mm，巷道圍巖變形量較大，出現明顯的冒頂及片幫現象，左幫變形量大于右幫。巷道穿過斷層后，巷道頂板、左幫、右幫的最大變形位移分別為175 mm、126 mm和135 mm，巷道圍巖變形逐漸降低，受斷層影響，巷道右幫變形量大于左幫。隨著工作面的繼續推進，巷道圍巖變形量逐漸穩定在60～80 mm范圍內。

圖7 傳統巷道支護時巷道圍巖變形曲線

4 高強度預緊力桁架錨網索支護研究

受斷層構造應力的影響，斷層附近存在破碎帶及斷層涌水現象。巷道頂板泥巖遇水軟化，形成低強度軟巖，傳統的支護方式無法控制巷道圍巖變形，采用合理的支護方式及支護參數可有效控制巷道的圍巖變形，達到預期支護效果。錨網索桁架支護技術具有極強的抗剪強度，可有效控制頂板剪切破壞；桁架錨網索系統結構有利于煤巖體處于壓應力狀態，錨固體抗變形能力得到提升。

4.1 巷道支護方案

支護方式為高強預緊力錨網索桁架支護，錨索采用隔排布置，規格為?17.8 mm×6000 mm；頂部錨索傾斜向上與水平線夾角為75°，幫部錨索傾斜向上與水平線夾角為25°，錨索最小破斷力為36 t。頂板錨桿采用?18 mm左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，桿長2200 mm，排間距850 mm，頂板布置5只錨桿，其頂部靠幫錨桿與垂直線成15°夾角，其他錨桿均與巷道頂邊輪廓線垂直布置。幫部錨桿排間距800 mm，幫部頂端和低端與水平線的夾角分別為25°和-25°，巷道周圍掛設10#鍍鋅鐵絲制作的單層金屬網。

4.2 巷道圍巖變形情況

高強預緊力錨網索桁架支護巷道圍巖變形曲線如圖8所示。由圖8可以看出，采用高強度預緊力桁架錨網索支護技術可有效控制巷道圍巖變形。斷層下盤巷道向斷層推進過程中，巷道頂板、左幫、右幫的最大位移量分別為52 mm、47 mm和36 mm。進入斷層破碎帶后，巷道圍巖出現明顯的變形，頂板、左幫、右幫的最大位移量為67 mm、95 mm和64 mm，左幫變形量大于頂板及右幫變形量。巷道過斷層破碎帶后，巷道圍巖變形逐漸減小，頂板、左幫、右幫最大位移量分別為47 mm、46 mm和45 mm。這說明采用高強預緊力錨網索桁架支護技術對斷層影響范圍內的巷道變形起到了有效的控制作用，特別是針對斷層破碎帶區域的支護效果極為明顯。

圖8 高強預緊力錨網索桁架支護巷道圍巖變形曲線

5 工程實踐

為監測高強預緊力桁架錨網索支護技術的效果及其支護參數的合理性，1309運輸巷掘進時，采用典型觀測斷面變形的方法，每隔一段距離布置一個觀測斷面，觀測結果如圖9所示，通過分析數據監測可知，斷層下盤巷道向斷層推進時，頂板、左幫、右幫最大位移量分別為52 mm、47 mm和42 mm。進入破碎帶后巷道頂板、左幫、右幫最大位移量分別為79 mm、98 mm和68 mm。過斷層進入斷層上盤后，巷道頂板、左幫、右幫最大位移量分別為51 mm、46 mm和54 mm，現場觀測數據與數值模擬基本吻合。由此可知，采用高強預緊力桁架錨網索支護技術可有效控制斷層影響下的軟巖頂板煤巷變形。

圖9 巷道圍巖變形觀測變化曲線

6 結論

(1)無支護條件下，斷層上下盤巷道距斷層0～40 m范圍內巷道圍巖變形較為明顯。斷層破碎帶附近的巷道變形速率迅速增加，巷道圍巖變形嚴重。在復雜應力影響下，巷道周圍出現明顯的集中應力現象，周圍應力處于不規則分布狀態。

(2)通過對比分析可知，傳統支護方式對軟巖煤巷支護效果較差，而采用高強預緊力桁架錨網索支護技術可滿足對復雜應力場影響下的軟巖頂板煤巷圍巖變形控制。

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