煤礦大變形軟巖巷道聯(lián)合支護方案研究

王李強

（山西焦煤集團西山煤電東曲煤礦 ，山西 太原 030000）

1 巷道支護現(xiàn)狀

所研究的軟巖巷道圍巖節(jié)理發(fā)育，結構復雜。地層整體為一單斜構造。走向北西，傾向北東，局部有小型緩波狀褶曲。據(jù)相鄰工作面采掘資料，該面掘進范圍內(nèi)共有10條斷層。工作面圍巖節(jié)理發(fā)育，且與巷道走向小角度相交，易引起片幫。軟巖地段均采用的錨噴支護，個別地段巷道正頂掛金屬網(wǎng)片，個別破碎地帶采用可縮性金屬U型鋼支架支護。對噴射混凝土和打注的錨桿定期進行拉拔實驗質(zhì)量均達到要求。但幾天后仍出現(xiàn)大面積暴漿，個別地段有劈幫現(xiàn)象，嚴重影響生產(chǎn)效益及人員安全。

2 大變形控制支護方案

工程實踐表明，對于深部軟巖巷道工程，無論是新開、還是實施了多次支護的翻修工程，其破壞總是從某一個或幾個部位開始變形、損傷，進而導致整個支護系統(tǒng)的失穩(wěn)。通過實驗發(fā)現(xiàn)巖體及巖層結構面是引起巷道圍巖強度降低、產(chǎn)生非對稱大變性破壞的主要原因，對于結構面的控制是非對稱支護設計的關鍵。

巷道圍巖變形破壞過程中首先破壞的部位，稱之為關鍵部位。關鍵部位產(chǎn)生的原因是圍巖大變形過程中，由于支護體與圍巖變形不協(xié)調(diào)而引起的。通過支護的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實現(xiàn)支護一體化、荷載均勻化，達到巷道穩(wěn)定的目的。

針對巖體破壞的關鍵部分分布特征，對巷道頂部和地腳增加了大變形錨索與底角錨桿進行加強支護，圍巖支護參數(shù)如圖1所示。

圖1 大變形控制支護參數(shù)

3 大變形聯(lián)合支護方案數(shù)值模擬研究

3.1 模型參數(shù)

利用離散元軟件（3DEC程序）建立三維數(shù)值模型，對大變形聯(lián)合支護方案進行對比分析及驗證其工程可行性。現(xiàn)場圍巖力學參數(shù)及錨桿參數(shù)見表1、表2。

表1 力學參數(shù)

表2 錨桿參數(shù)

3.2 無支護巷道變形特征

模型尺寸為20m邊長的立方體。巷道結構面跡長、傾向、傾角均符合正態(tài)分布特征，裂隙間距符合負指數(shù)分布特征，根據(jù)分布函數(shù)建立相應的結構面參數(shù)，構成圖2所示的裂隙網(wǎng)絡模型。

圖2 裂隙網(wǎng)絡模型

圖3 巷道圍巖主要破壞形式

根據(jù)開挖尺寸及裂隙網(wǎng)絡模型建立含裂隙的巷道模型，巷道開挖后的破壞形式如圖3所示，主要為張拉和剪切破壞，張拉破壞占主導。

在未支護的巷道中，由自重應力引起了巷道頂板巖石塊體脫落，結構面與開挖自由面形成的塊體極不穩(wěn)定，個別塊體脫落，將會造成嚴重的安全生產(chǎn)事故，影響工程進度，危害人員生命安全。隨著巷道開挖深度增加，巷道頂板下沉的累計變形量超過8cm，如圖4所示，巷道基本破壞，加之有部分塊體脫落，未支護的巷道將不具備采礦作業(yè)的條件。

圖4 頂板位移累積變化量

3.3 常規(guī)支護巷道變形特征

常規(guī)支護方式對巷道進行支護，采用直徑為22mm的注漿錨桿，長度3m。錨桿間距800mm，排距1000mm。建立相應的錨桿支護巷道模型，如圖5所示。

圖5 錨桿支護示意圖

圖6 巷道圍巖破壞形式

錨桿支護后的巷道圍巖變形有所改善，頂板沒有發(fā)生塊體掉落現(xiàn)象定，但巷道底板仍然出現(xiàn)大變形，該現(xiàn)象仍將破壞巷道已有設備，增加巷道維護成本，危害工作人員生命安全。如圖6所示。隨著開挖深度增加，頂板最大下沉量達逐步增加。最大累積變形量超過1.1cm。巷道仍有破壞的危險。

圖7 頂板位移累積變化量

3.4 聯(lián)合支護巷道變形特征

根據(jù)巖體結構面分布特征及關鍵部位破壞特征對支護方式進行了優(yōu)化，提出注漿錨桿+錨索+底角錨桿聯(lián)合支護的方法，對巷道頂?shù)装暹M行全斷面支護。注漿錨桿直徑22mm，長3m，大變形錨索直徑15.24mm，長6m，間距均為800mm，排距均為1000mm。底角錨桿直徑48mm，長3700mm，角度為45°，間距排距與注漿錨桿相同。聯(lián)合支護數(shù)值模型如圖8所示。

圖8 巷道聯(lián)合支護模擬圖

聯(lián)合支護后的巷道未發(fā)現(xiàn)張拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，巷道可以保持穩(wěn)定。頂?shù)装逡矝]有出現(xiàn)塊體掉落及滑移現(xiàn)象，整體巷道支護效果良好。根據(jù)巷道頂板位移云圖可以得到巷道開挖支護后，斷面下沉量小于0.15cm。巷道變形被控制在有效范圍內(nèi)。巷道累積變形量在剛開挖時有一定增加，但在小于0.15cm時由于聯(lián)合支護作用保持穩(wěn)定，沒有持續(xù)增加，巷道變形量被控制在很小的范圍內(nèi)。巷道可以維持長期穩(wěn)定，為安全作業(yè)提供了良好的環(huán)境。

圖9 聯(lián)合支護巷道主要破壞形式

圖10 聯(lián)合支護頂板位移云圖

4 結論

1）針對巖體破壞的關鍵部位分布特征，對巷道頂部和地腳增加了大變形錨索與底角錨桿進行加強支護，提出了注漿錨桿+錨索+底角錨桿聯(lián)合支護的方法。

2）數(shù)值模擬手段可以驗證工程施工方案的可行性，離散元模型在考慮巖體結構面信息的前提下更準確的描述了巖體力學行為，對支護方案的優(yōu)化設計提供支撐。

3）聯(lián)合支護后的巷道未出現(xiàn)張拉破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)，巷道可以保持穩(wěn)定。巷道累積變形量小于0.15cm，軟巖巷道可以維持長期穩(wěn)定，為安全作業(yè)提供了良好的環(huán)境。