深部峰后圍巖大變形巷道穩(wěn)定性控制探討

楊武

（長治三元中能煤業(yè)有限公司山西長治046600）

0 引言

隨著煤層開采深度的不斷加大，巷道所處地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了根本性變化，多數(shù)巷道表現(xiàn)出非線性大變形特性，圍巖大多處于峰后階段，巖體裂隙發(fā)育，承載性能較低。礦山地質(zhì)條件本就存在多變性，采動(dòng)影響下圍巖賦存狀態(tài)變得更加復(fù)雜，這使得巷道圍巖支護(hù)及其后期的維護(hù)工作難以取得有效成果。許多專家學(xué)者對巷道圍巖-支護(hù)相互作用規(guī)律的研究以及深部地下工程穩(wěn)定性控制方面做了大量研究[1,2]。本文以三元中能煤業(yè)為工程背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對深部峰后巷道圍巖的穩(wěn)定性控制進(jìn)行了研究。

1 工程概況

三元中能煤業(yè)位于山西省長治市，現(xiàn)今主采5#煤層。在回風(fēng)斜井見煤點(diǎn)下推25 m 北側(cè)開口處沿井筒方位兩次轉(zhuǎn)角后向北布置回風(fēng)大巷，煤層傾角平均為8°，平均厚度3.7 m。采用立井開拓方式，開采深度超過800 m。5#煤層布置三條大巷，分別用于運(yùn)煤、行人運(yùn)料、通風(fēng)等功能。其中大巷凈寬5.5 m，膠帶大巷高4.8 m，軌道大巷、回風(fēng)大巷高4.2 m。

5#煤回風(fēng)大巷斷面尺寸為5 m×4 m，全斷面采用高預(yù)緊力鋼絞線錨索與錨網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)；其中錨桿規(guī)格? 18×1 700 mm 的左旋螺紋鋼，按800 mm×800 mm 的間排距打設(shè)，施加的預(yù)緊力為200 kN，并采用150 mm×150 mm×10 mm 的球型托盤，安裝時(shí)靠近巷幫錨桿與垂線成15°；錨索采用1×7 芯結(jié)構(gòu)? 17.8×6 500 mm 的鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm，預(yù)緊力為300 kN；底板澆筑厚度為100 mm的混凝土封層。

圖1 原支護(hù)方案圖

2 支護(hù)方式

通過對巷道圍巖破壞特征和巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)特性的分析，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度大密度錨桿進(jìn)行支護(hù)可將淺部碎裂巖體重新形成具有“組合梁”特性的承載性能更好的錨固體，進(jìn)而促使淺部圍巖承載性能得到恢復(fù)；隨后通過錨索將錨固體懸吊在深部巖層中，使得一定范圍內(nèi)的圍巖形成似“承載拱”結(jié)構(gòu)。在淺部“梁”和深部“拱”的耦合作用下，構(gòu)成巷道承載結(jié)構(gòu)主體，達(dá)到共同維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定的目的[3,4]。

“深-淺”耦合全斷面噴錨支護(hù)技術(shù)，擬在巷道圍巖中構(gòu)建“雙殼”封閉式承載體系，實(shí)現(xiàn)多種支護(hù)形式時(shí)空上的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到支護(hù)體系與圍巖的耦合，進(jìn)而充分利用圍巖的自承載性能，以維護(hù)巷道長期穩(wěn)定。

優(yōu)化支護(hù)方案支護(hù)原理如圖2 所示。頂板錨桿：? 22×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，內(nèi)、外層錨桿分別按照600 mm×600 mm、600 mm×800 mm 的間排距交錯(cuò)布置，安裝時(shí)靠近巷幫錨桿安設(shè)角度與垂線成15°，其余錨桿垂直頂板設(shè)置；長錨桿：? 22×6 500 mm 自進(jìn)式注漿錨桿，間排距為600×800 mm，安裝時(shí)靠近巷幫錨索安設(shè)角度與垂線成15°，其余與頂板垂直布置；幫部錨桿：22×240 0 mm左旋螺紋鋼錨桿；底板錨桿：22×2 400 mm 注漿錨桿，垂直底板巖層布置，底角長錨桿向兩幫傾斜15°布置；表面噴射240 mm混凝土層。

圖2 深-淺“雙殼”支護(hù)體系分析圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)三元中能煤業(yè)5#煤層實(shí)際條件，各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)方案進(jìn)行模擬。所建模型尺寸為40 m×30 m×40 m；模型上、左和右邊界均為應(yīng)力邊界條件，分別施加15 MPa、22 MPa 和22 MPa 的固定載荷，前后面與底面均為固定位移邊界。錨桿、鋼帶和混凝土噴層分別使用Cable、Beam和Shell結(jié)構(gòu)單元。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果

從應(yīng)力場分布、垂直位移和塑性區(qū)分布三個(gè)方面對兩種支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行分析。

（1）應(yīng)力場分布特征

兩種支護(hù)方案巷道圍巖垂直應(yīng)力分布如圖3 所示。由圖3a和3b可知，采用優(yōu)化支護(hù)方案時(shí)，巷道頂板垂直應(yīng)力最大值由原支護(hù)方案的10 MPa降低至7 MPa，減小了30%，分布形式也更趨于均勻分布。采用優(yōu)化支護(hù)方案后，兩幫垂直應(yīng)力最大值由原支護(hù)方案的22 MPa減小至15 MPa，降低了約31.8%。由此可見，優(yōu)化支護(hù)方案可明顯降低兩幫的應(yīng)力集中，還可明顯看出垂直應(yīng)力集中區(qū)向淺部轉(zhuǎn)移，說明優(yōu)化支護(hù)方案支護(hù)效果良好。

圖3 巷道垂直應(yīng)力分布云圖

（2）垂直位移特征

兩種支護(hù)方案下巷道圍巖垂直位移如圖4 所示。由圖4 可知，兩種支護(hù)方案時(shí)，最大沉降均發(fā)生在巷道頂板的中央位置，但采用優(yōu)化支護(hù)方案時(shí)最大沉降值約為28 mm，相較于原支護(hù)方案時(shí)的11 mm，減小了約60.7%。另外采用優(yōu)化支護(hù)方案時(shí)的巷道底板隆起量和影響范圍均明顯降低，說明優(yōu)化支護(hù)方案對圍巖穩(wěn)定起到一定的積極作用。

圖4 巷道垂直位移分布云圖

（3）圍巖塑性區(qū)分布特征

兩種支護(hù)方案下圍巖塑性區(qū)分布如圖5 所示。由圖5可知，采用優(yōu)化支護(hù)方案時(shí)塑性區(qū)分布范圍明顯小于原支護(hù)方案，巷道頂板、幫部、底板塑性區(qū)范圍較原支護(hù)方案分別減小了約57.1%、54%、52.5%，這表明優(yōu)化支護(hù)方案的支護(hù)效果較原支護(hù)方案明顯增強(qiáng)，對巷道圍巖的控制效果更加顯著。

圖5 巷道塑性區(qū)分布云圖

4 結(jié)論

以三元中能煤業(yè)5#煤層為工程背景，對深部峰后圍巖大變形巷道的穩(wěn)定性控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對比分析兩種支護(hù)方案的支護(hù)效果，得到以下結(jié)論：

（1）提出了“淺部圍巖應(yīng)力恢復(fù)、峰后圍巖固結(jié)修復(fù)、動(dòng)態(tài)疊加整體控制、深淺承載共同作用”四項(xiàng)原則，建立“深-淺”耦合全斷面噴錨支護(hù)體系。

（2）采用優(yōu)化支護(hù)方案后巷道圍巖應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)分布均有較明顯改善。