深部巷道卸、支平衡優(yōu)化方案研究

黃德光 劉志鑫 劉 東

（山東能源棗礦集團濱湖煤礦，山東 棗莊 277000）

巷道支護應(yīng)充分考慮圍巖的自承能力，保持巷道圍巖穩(wěn)定有兩個方法：一是加強支護法，即采用密支護、強支護的手段加固巷道圍巖，提高巷道圍巖的承載能力[1-2]；二是應(yīng)力控制法，即控制巷道圍巖應(yīng)力的分布狀態(tài)，減小圍巖中應(yīng)力集中現(xiàn)象和拉應(yīng)力范圍[3-4]。由于深部巖體受三向應(yīng)力擠壓強度較高，通過卸壓弱化圍巖應(yīng)力，增加淺部圍巖膨脹變形空間，促進應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部，在巷道應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)形成自承巖環(huán)，在此前提下卸壓區(qū)內(nèi)的巖體只需發(fā)揮自身承載能力，即可保持圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

棗礦集團濱湖煤礦位于山東省滕州市，開采深度-400～ -1500 m標高，設(shè)計開采12下和16煤層。16煤層位于太原組下部，底板標高-375.88～-1 007.89 m，平均1.35 m，平均傾角7°，屬于薄及中厚煤層，平均埋深接近800 m，已經(jīng)進入煤炭深部開采的范疇。16#煤層直接頂板為灰?guī)r，含0.05～0.30 m的泥巖偽頂，基本頂為泥巖；煤層底板直接底以泥巖為主，砂質(zhì)泥巖次之，基本底為細砂巖。

16116回風(fēng)上山主要支護方式為錨索網(wǎng)噴壁后注漿聯(lián)合支護，巷道設(shè)計斷面直墻半圓拱形，毛斷面寬×高為6.35 m×5.20 m。原支護方案如圖1。

圖1 原支護方案

由于巷道埋深較大，圍巖應(yīng)力場復(fù)雜，采用原有支護方案導(dǎo)致巷道圍巖塑性區(qū)范圍大，頂板下沉量和兩幫移近量較大，特別是巷道底板無支護，底板處于長期擠壓流動狀態(tài)，導(dǎo)致底板破壞深度較大，巷道底鼓量急劇增加，巷道斷面收斂變形大，原支護方案不能有效控制巷道圍巖變形。

2 優(yōu)化支護方案

2.1 卸壓與支護協(xié)同方案

根據(jù)16116回風(fēng)上山巷道圍巖巖性及圍巖變形破壞規(guī)律，提出“噴砼+錨桿+鋼絲繩網(wǎng)+注漿＋卸壓槽”聯(lián)合支護方案，四層次噴層+三層次錨桿+三層鋼絲繩網(wǎng)+壁后注漿+底板兩個卸壓槽。其中，四層次噴砼厚度為：80 mm、100 mm、100 mm、70 mm。采用Φ22 mm×2400 mm左旋無縱筋高強度樹脂錨桿，錨桿間排距為700 mm×700 mm；三層次鋼絲繩網(wǎng)，沿巷道環(huán)向和軸向呈十字交叉布置；底板卸壓槽尺寸為：寬×高=1200 mm×2000 mm，后期利用噴射砼將卸壓槽充填；壁后采用Φ20 mm×1800 mm注漿錨桿。優(yōu)化支護方案如圖2。

圖2 優(yōu)化支護方案

2.2 底板卸壓和支護原理

（1）以多層次強韌砼噴層構(gòu)建一個整體性強的支護結(jié)構(gòu)，為圍巖提供較高的初承力。

（2）以多層次錨桿為核心構(gòu)建均質(zhì)同性的錨固承載圈，使巷道淺部圍巖由二向壓張受力轉(zhuǎn)變成三向擠壓受力。

（3）以多層次鋼絲繩網(wǎng)作為混凝土噴層的柔性徑骨將支護結(jié)構(gòu)拼接成一個整體，實現(xiàn)了圍巖承載結(jié)構(gòu)的均勻受力。

（4）以注漿膠結(jié)圍巖，提高巷道淺部圍巖力學(xué)性能，促使各支護單元功能融合契合。

3 底板卸壓機理數(shù)值模擬研究

3.1 UDEC模擬軟件介紹

UDEC（Universal Distinct Element Code）是以拉格朗日算法為基礎(chǔ)，處理不連續(xù)介質(zhì)受力響應(yīng)的二維離散元程序。UDEC能夠模擬巖體等非連續(xù)介質(zhì)在靜載或動載作用下的響應(yīng)，能夠較好地模擬巖體介質(zhì)的變形和大位移特征，同時可以使用結(jié)構(gòu)單元模擬巷道圍巖錨固支護和砼噴層。

3.2 構(gòu)建力學(xué)模型

16116回風(fēng)上山巷道的數(shù)值計算模型分8層（圖3），長100 m，高66 m，總體上長度×高度不大于2.5 m×1.1 m。模型中塊體單元總共有16 352塊體，節(jié)點數(shù)為36 297個。圍巖力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

圖3 數(shù)值計算的力學(xué)模型

表1 巷道圍巖巖體力學(xué)參數(shù)

表2 巷道圍巖節(jié)理力學(xué)參數(shù)

3.3 底板卸壓前后變化情況

在數(shù)值模擬過程以高強度柔性噴砼替代鋼絲繩網(wǎng)，厚度5 mm。卸壓前后底板應(yīng)力場分布規(guī)律云圖如圖4。

圖4 卸壓前后巷道圍巖應(yīng)力云圖

開挖卸壓槽增加底板圍巖變形空間，導(dǎo)致卸壓后底板塑性區(qū)范圍擴大，卸壓后底板垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，圍巖低應(yīng)力范圍擴大，高應(yīng)力區(qū)范圍縮小，轉(zhuǎn)移至圍巖深部；卸壓槽增加巷道底板自由面寬度，導(dǎo)致圍巖中裂隙不斷向深部擴展，塑性破壞區(qū)增加。

4 卸壓槽合理尺寸的數(shù)值模擬研究

4.1 卸壓槽數(shù)值模擬

模擬深井巷道底板卸壓槽參數(shù)主要考慮兩個因素：卸壓槽寬度和深度。寬度選擇800 mm、1200 mm、1600 mm，深度選擇1000 mm、1500 mm、2000 mm。通過卸壓槽寬度和深度兩個因素三個水平的正交試驗，確定9種卸壓方案（表3）。

表3 卸壓方案數(shù)值模擬正交試驗表

4.2 確定卸壓槽深度

分別對三個不同深度的方案應(yīng)力和塑性區(qū)進行分析，進而選出合理的卸壓槽深度。待確定合理深度之后，再固定卸壓槽深度進行分析，最終確定合理卸壓槽尺寸。

從應(yīng)力角度來講卸壓槽深度越大，圍巖高應(yīng)力區(qū)域向深部轉(zhuǎn)移的距離越遠，淺部圍巖應(yīng)力越小，越有利于底板卸壓。從圍巖塑性區(qū)角度來講，卸壓槽深度增加，圍巖塑性區(qū)范圍擴大進而擴大底板卸壓范圍。因此，底板卸壓槽深度選擇2000 mm。

4.3 確定卸壓槽寬度

已經(jīng)確定了卸壓槽的合理深度2000 mm，測試卸壓方案3、卸壓方案6和卸壓方案9。卸壓槽參數(shù)見表4。

表4 卸壓方案

根據(jù)數(shù)值模擬運算的結(jié)果，得出卸壓方案巷道圍巖應(yīng)力場分布規(guī)律云圖（圖5）。

從巷道表面位移來講，卸壓槽深度固定，寬度的增加導(dǎo)致巷道表面位移增加，塑性區(qū)范圍擴大，但卸壓槽寬度不斷增大，將導(dǎo)致巷道圍巖塑性區(qū)范圍過大（卸壓方案9相對于卸壓方案3和卸壓方案6頂板塑性區(qū)范圍分別增大2.76 m、2.01 m，幫部塑性區(qū)范圍分別增大1.09 m、0.60 m，底板塑性區(qū)范圍分別增大4.05 m、2.77 m，造成巷道表面位移量過大）。因此，確定巷道底板卸壓槽的合理尺寸為：寬×高=1200 mm×2000 mm。

圖5 第四組卸壓方案巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

5 結(jié)論

（1）加強巷幫和頂板支護強度，確定回風(fēng)上山新的支護方案為“噴砼+錨桿+鋼絲繩網(wǎng)+卸壓槽+注漿”聯(lián)合支護方案。

（2）開挖卸壓槽使底板淺部圍巖應(yīng)力降低，有效降低淺部圍巖應(yīng)力水平，促使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部，從而實現(xiàn)底板卸壓。

（3）卸壓槽寬度增加，導(dǎo)致巷道表面位移和塑性區(qū)范圍增加，一定范圍內(nèi)寬度越大圍巖卸壓作用越明顯，但增大寬度將造成底板塑性區(qū)范圍急劇增加。因此，選擇卸壓槽寬度為1200 mm。