基于不穩(wěn)定塊體理論的巷道圍巖精準(zhǔn)支護(hù)研究

姚鴻基

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)股份有限公司 西銘礦,太原 030024)

1 工程概況

西銘礦42209工作面地面標(biāo)高為1 592 m～1 431 m,工作面標(biāo)高為990 m～1 106 m,2#煤層42209工作面體走向長度3 088 m,傾斜長度197 m。本文研究的巷道為單軌吊巷,位于工作面南側(cè),長3 137 m。

該巷道斷面形式為矩形,寬3.8 m、高2.8 m,掘斷面10.64 m2;頂板采用螺紋鋼錨桿、W型鋼帶、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),頂錨桿打設(shè)在五眼鋼帶內(nèi),按間距0.8 m、排距1.0 m布置,錨索按兩排花型布置,間距4.0 m,排距2.2 m;幫錨桿按兩排三花布置,間排距確定為1.5 m×1.2 m,上排距頂板0.5 m，具體如圖1和圖2所示。

圖1 工作面布置示意圖Fig.1 Working face layout

圖2 現(xiàn)有錨桿支護(hù)斷面圖Fig.2 Sectional diagram of bolt support

在現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)條件下,巷道穩(wěn)定性得到改善且效果較好,但支護(hù)密度大,成本較高,為了探究降低支護(hù)成本的措施,需對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 巷道圍巖裂隙產(chǎn)狀分析

巷道圍巖的裂隙產(chǎn)狀分布特征是影響巖體完整程度和發(fā)生片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害的重要影響因素。裂隙的存在弱化了巖體的強(qiáng)度,破碎的巖體通常沿已有節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑落。因此對巖體裂隙產(chǎn)狀信息的調(diào)查是評價(jià)圍巖穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。通過人工測量的方式對圍巖進(jìn)行結(jié)構(gòu)面信息采集。

采用詳細(xì)線觀測法,借助羅盤、皮尺、鋼卷尺、地質(zhì)錘等工具對長度大于1 m結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角、間距和跡線長度進(jìn)行詳細(xì)測量,根據(jù)結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)及分組情況,繪制出測點(diǎn)極點(diǎn)等效密度圖(見圖3)。可以確定所有結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角分布信息。優(yōu)勢產(chǎn)狀為:202.35°∠80.53°,15.31°∠56.50°,88.02°∠60.48°。

圖3 優(yōu)勢產(chǎn)狀分布圖Fig.3 Dominant occurrence distribution

根據(jù)現(xiàn)場采集結(jié)果,統(tǒng)計(jì)裂隙產(chǎn)狀信息見表1。

表1 裂隙產(chǎn)狀信息Table 1 Fracture occurrence

選取10 m長的巷道作為研究對象,根據(jù)圍巖裂隙產(chǎn)狀信息和巷道規(guī)格、走向等信息建立三維數(shù)值計(jì)算模型[1-5],模型中的巖塊是由裂隙與開挖空間相切割而形成,如圖4所示。

圖4 巷道圍巖塊體分布特征Fig.4 Distribution characteristics of roadway surrounding rocks

根據(jù)模擬結(jié)果顯示,沒有支護(hù)條件下的巷道與圍巖優(yōu)勢裂隙相互切割形成了4個(gè)巖石塊體,其中位于頂板位置的8#塊體和左幫的7#塊體均處于不穩(wěn)定狀態(tài),容易發(fā)生滑落。

3 支護(hù)作用下巷道穩(wěn)定性研究

3.1 現(xiàn)有錨桿支護(hù)條件下巷道穩(wěn)定性分析

根據(jù)錨桿布設(shè)參數(shù)進(jìn)行巷道支護(hù)模擬,巷道支護(hù)效果圖見圖5。優(yōu)化前的支護(hù)方案在支護(hù)后巷道圍巖穩(wěn)定性大幅提升,8#塊體安全系數(shù)由0提高至22.1,7#塊體安全系數(shù)由1.2提高至17.3。根據(jù)現(xiàn)有的支護(hù)參數(shù)與方案,巷道圍巖可以保持穩(wěn)定狀態(tài),且危險(xiǎn)塊體的安全系數(shù)較高,沒有發(fā)生塊體滑落的風(fēng)險(xiǎn)。但密集支護(hù)的方式同時(shí)增加了施工、材料和人工成本,增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),因此對錨桿支護(hù)參數(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化研究,在保證巷道穩(wěn)定狀態(tài)下,增加錨桿間排距,有效提高支護(hù)施工效率和降低經(jīng)濟(jì)成本,實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源地高效、安全、經(jīng)濟(jì)開采。

圖5 巷道支護(hù)效果圖Fig.5 Roadway support effect diagram

3.2 錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化模擬研究

利用UNWEDGE程序建立巷道數(shù)值模型,模型斷面尺寸與巷道一致,斷面為矩形,寬3.8 m、高2.8 m,模型中結(jié)構(gòu)體均為剛體,自身不會(huì)產(chǎn)生變形,僅在切割面處產(chǎn)生滑動(dòng)變形。根據(jù)危險(xiǎn)塊體理論分析得知:巷道頂板或兩幫圍巖的變形及崩落是由多裂隙相互切割形成的不穩(wěn)定塊體造成。該段巷道頂板和兩幫形成了3個(gè)巖塊,其中頂板和左幫巖塊處于不穩(wěn)定狀態(tài)。現(xiàn)有支護(hù)狀態(tài)下的巷道塊體穩(wěn)定性結(jié)果表明:頂板的巖體在現(xiàn)有支護(hù)條件下安全系數(shù)超過了兩幫巖體,而且巷道頂板和兩幫的巖塊安全系數(shù)均超過了15,安全穩(wěn)定性較高。為了避免全斷面密集支護(hù)方式造成的過度支護(hù)成本高、施工難度大等問題,需在準(zhǔn)確定位不穩(wěn)定塊體位置的前提下,只針對不穩(wěn)定塊體其進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

通過數(shù)值模擬計(jì)算可以得到,針對該段長度為10 m的巷道,頂板與兩幫支護(hù)形式可進(jìn)行調(diào)整，如圖6所示,錨桿間排距1.5 m,頂板肩部錨桿傾角70°。調(diào)整后圍巖的安全系數(shù)仍大幅提高,頂板不穩(wěn)定塊體安全系數(shù)為19.8,左幫不穩(wěn)定塊體安全系數(shù)為17.2,與礦山現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)相比,調(diào)整后同一斷面中,頂板減少兩根錨桿,10 m長的巷道原設(shè)計(jì)共10排錨桿,調(diào)整后共7排,錨桿數(shù)量共減少29根。巷道圍巖穩(wěn)定性并沒有降低的狀態(tài)下,錨桿數(shù)量大幅減少,支護(hù)成本得到有效控制。

圖6 調(diào)整后巷道支護(hù)示意圖Fig.6 Roadway support diagram after adjustment

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場監(jiān)測探明巷道圍巖裂隙分布特征,基于不穩(wěn)定塊體理論建立三維巷道與塊體模型,以此提出了精準(zhǔn)定位支護(hù)的方法。

1)巷道圍巖裂隙的優(yōu)勢產(chǎn)狀為:202.35°∠80.53°,15.31°∠56.50°,88.02°∠60.48°。裂隙與巷道開挖空間相互切割形成4個(gè)主要塊體,其中位于頂板和左幫的巖塊處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2)原有支護(hù)參數(shù)條件下,該段巷道的安全系數(shù)較高,塊體均保持在穩(wěn)定狀態(tài),但密集支護(hù)形式造成了支護(hù)成本高、施工難度大等問題。

3)通過對不穩(wěn)定塊體的定位,提出了精準(zhǔn)定位支護(hù)的方法,錨桿的間排距調(diào)整為1.5 m×1.5 m,巷道圍巖安全系數(shù)仍大幅提高,可有效保障巷道的安全穩(wěn)定,同時(shí)10 m長的巷道錨桿數(shù)量減少29根。以圍巖破碎狀態(tài)為依據(jù)的精準(zhǔn)定位支護(hù)有效提高了支護(hù)效果,并降低了支護(hù)成本,實(shí)現(xiàn)了安全和經(jīng)濟(jì)效益雙贏。