基于UDEC計算與組合支護策略的動壓巷道治理研究

任凱鵬

（霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦，山西 霍州 031400）

1 引言

團柏礦工作面所處位置的周邊是大規模的破碎圍巖，回風巷因受到周邊采動作業的影響，應力場作用在圍巖破損區域上，導致巷道整體出現了大規模的變形與破壞情況，嚴重影響了巷道的正常使用和安全。本文以探尋該巷道的破壞機制為基礎，結合UDEC仿真模擬，提出基于“錨棚網噴”的耦合支護策略。

2 工程概況

團柏井田所在位置為朔縣向斜東翼偏東南區域，表現為一種向西側傾斜的波動狀態。自北向南，整個井田內地層的走勢出現了極大的變化，以34線為界進行劃分，該線以北區域地層的整體走向為由南至北，而且該區域地層未出現較大傾斜，整體傾角保持在5°～6°之間，表現為次級背向斜的形態，整體起伏非常小且相當廣闊，該界限以南，地層的走向主要有NNE與NNW兩種方向的傾斜，到了37線的南部，地層走向轉變為東西方向，而且由南至北傾角最大的區域甚至超過了30°。

3 破碎圍巖動壓巷道失穩機制及控制對策

UDEC程序當前多應用在隧洞、邊坡以及采礦等相關的工程領域，該軟件可以對巖體存在的非連續性特征進行表示，還能對巖塊滑動、旋轉以及墜落等劇烈變形進行模擬。本文在UDEC軟件輔助下，對該礦的進風巷處出現的劇烈變形失穩機制展開全面、系統研究。

3.1 數值計算模型

下圖1為綜合該巷道的現有支護與真實地質狀況而確立的針對性數值計算模型。

此模型的幾何尺寸為：長60m，厚度50m，其中該模型對巖層的具體厚度均做了簡化處理，處理后直接頂、基本頂以及煤層的厚度分別為5.0m、18.4m與5.6m，另外基本底與直接底進行了合并，合并后兩者共厚21m。實際調查發現，巷道的橫斷面具有兩種主要的節理，傾角分別為5°與85°，在實際分析時，為了操作方便，特將兩個傾角近似為0°與90°。現取直接頂節理的水平與垂直兩間距分別為0.4與0.8m；煤層節理的兩間距分別為0.2與0.4m；其他巖層節理對應的兩個間距值為1.0與2.0m。

圖1 數值計算模型

根據表1中數據可以確定該礦此處的巖體材料以及其節理面的接觸分別滿足Mohr-Coulomb與Coulomb兩項準則。左右側面與底部的邊界分別在水平和垂直兩個方向固定，頂部是應力邊界，此為該模型的相關邊界條件。通過對現場情況測試、計算，限定計算時垂直與水平應力分別取14.31MPa與13.1MPa，同時側壓系數的均值需要保持在0.9。

表1 煤巖體的相關物理力學參數

3.2 計算結果及分析

下圖2所示為當前支護狀態下，圍巖的變形及塑性區的具體分布情況。

圖2 巷道圍巖變形及塑性區分布

根據上圖可以發現，確立好巷道支護問題后，巖塊的滑移問題首先出現在兩幫與底板部分，并形成一個主要為張拉破壞的塑性區域，該區域最先出現在底板的中部區域，但是因為后期沒有充分地考慮到控制底板問題，所以在幫部區域的擠壓下，整個底板的變形迅速提升，隨著張拉破壞的增加，該破壞開始在整個底板中得以體現，同時向著底板下部轉移，其中塑性區的深度最大處已經達到了4m，底鼓量更是高達1004mm。巷道兩側的底角處以剪應力破壞為主出現了應力集中區，該區域處于高速擴張狀態，而且寬度最大時達到了17.8m；煤幫處的支護只用了4根錨桿，這種方式根本無法從整體上提供支護作用，從而出現了較大的變形，最大形變量高達2157mm；煤幫處剪應力的集中區域表現有極大的層面效應，而且多集中出現在煤層。生產活動中，上述提到的剪切與張拉破壞區域是穩定性最差的部分，需要進行格外的加固和關注。臨空面的上方是頂板的主要破壞區域，其他部分未出現嚴重破壞。統計顯示，頂板下沉最大時達到了453mm，頂板處的塑性區域高度最高時達到了8.5m。根據上述數據進行計算可以發現，此巷道內圍巖的變形和破壞均是逐漸發展的，關鍵區域一旦受到破壞，隨著工作的進行會影響其他區域的穩定性，圍巖的塑性部分越來越深入，剪切破壞區域越來越大，圍巖的變形量也隨之提升。所以想要確保巷道始終保持穩定，一定要針對關鍵部分及時做出科學、合理的加固方案。

3.3 支護方案設計

根據上文對該巷道嚴重應變、破壞失穩機制的探索，通過分析制定針對性的控制辦法：巷道頂底板的破壞與變形會受到兩幫的嚴重影響，支護工作最重要的就是強化兩幫處的加固力度，提升其穩定性與整體性，主要操作為利用走向錨索梁實現整體控制，將兩幫的剪切與張拉破壞控制到最小；利用底角錨桿與幫角錨梁配合抵抗底板處的形變，降低底板中部出現的張拉破壞與底角處的剪應力集中；利用走向錨索梁抵抗頂板受到的張拉破壞減小其形變；最后對碎裂區域進行注漿補強，同時令其同錨索(桿)相配合，共同構成一種聯合支護，為巷道的安全、穩定提供保證。

（1）頂板支護

錨桿參數：桿體的長度與直徑分別為2.5m與22mm，材質為500號無縱筋的左旋向螺紋鋼，并且其上螺紋長150mm，提供配套螺母。

錨固方式：利用樹脂加長式錨固辦法，所用錨固劑型號為Z2360，每根錨桿配套使用兩支。此外錨固整體長1200mm，配套孔徑30mm。

托盤參數：采用150mm見方、10mm厚的拱型高強度托盤，同時配備調心球墊。

錨桿角度：圍繞巷道輪廓垂直安置。

護板規格：鋼制W型護板，長、寬、厚分別為450mm、280mm與5mm。

網片規格：本文將塑料網與鋼筋網進行了配合使用，兩網的規格參數相同，均長3000mm，寬800m，網孔為40mm見方。

錨桿布置：錨桿的間距與排距均保持800mm。

錨桿預緊扭矩：預緊時，扭矩至少要達到400N·m。

錨索參數：所用錨索的直徑為21.8mm，長度為9.0m，由19股鋼線絞制而成，主要特點為松弛預應力低且強度高。錨固時配套使用Z2360與K2335藥卷各兩支，注意保持2416mm的錨固長度。

錨索布置：安置錨索時，每排按照1、2、1的交錯方式進行布置，同時保持每排間隔800mm。錨索安裝于兩排錨桿中間的頂板處，且巷道的輪廓線保持為垂直狀態。配套使用高強度、帶有調心球墊、厚16mm、300mm見方的拱型托板。保持錨索張拉的預緊力處于200～250kN范圍內。

（2）巷幫的支護

錨桿參數：桿體的長度與直徑分別為2.5m與22mm，材質為500號無縱筋的左旋向螺紋鋼，并且其上螺紋長150mm，提供配套螺母。

錨固方式：利用樹脂加長式錨固辦法，所用錨固劑型號為Z2360，每根錨桿配套使用兩支。此外錨固整體長1200mm，配套孔徑30mm。

托盤參數：采用150mm見方、10mm厚的拱型高強度托盤，同時配備調心球墊。

錨桿角度：與巷幫保持垂直。

護板規格：鋼制W型護板，長、寬、厚分別為450mm、280mm與5mm。

網片規格：網片為金屬材質，長2000mm，寬800m，網孔為40mm見方。

錨桿布置：錨桿的間距與排距均保持800mm，每幫與每排均安置2根。

錨桿預緊扭矩：預緊時，扭矩至少要達到400N·m。

下圖3所示為該巷道的支護斷面狀態。

圖3 回采巷道錨桿支護布置（單位：mm）

4 現場應用

該礦井的回采巷道通過使用“錨棚網噴”的耦合支護方案，在大托板的作用下，頂板的破碎問題得到了極好的控制，保證了頂板的完整性，同時為防止頂板變形、下沉甚至出現斷裂冒落情況，特利用錨索進行了補強。2～4m處的頂板離層較大，4～6mm出現了一定的離層，6～8m區域離層未出現明顯變化，從整體來看頂板產生的最大位移僅為24mm，具體信息可見圖4(a)。根據圖中所示可以發現2～4m處的頂板控制是工作重點。巷道兩幫處的支護得到強化后，其頂板應力會傳向底板的深處。進行巷道收斂觀測耗費的時間較長，頂板中部以及高幫底部是兩個重點觀測區域，圖4(b)觀所示為觀測結果，整體收斂表現為階梯上升狀態，收斂值最高達到了79mm，面對該現象，需要對巷道的底角強化控制。通過使用高幫異形架可以有效控制變形量，低幫處使用“錨噴網”后穩定性大大提升，配合坡煤頂處采取的管棚超前支護，軟煤體的冒落受到了極大抑制，異形架處于良好的受力狀態，具有極佳的穩定性。

圖4 錨棚網噴應用后的狀態曲線

5 結束語

（1）巷道的變形與破壞并不是突然產生的，是由關鍵區域的破壞引起其他區域失穩而最終造成的整體性破壞。

（2）幫部的穩定與控制直接影響到整個巷道的穩定情況，當前所用的支護方式無法向該區域破碎的圍巖提供有效的支護，因此圍巖出現了嚴重的變形，此處為支護優化、提升的重點區域。