復(fù)雜地形條件井下圍巖支護(hù)技術(shù)的研究

王 偉

（山西焦煤西山煤電晉邦德煤礦， 山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著我國淺層煤炭資源的日益枯竭，目前多數(shù)煤礦的開采已經(jīng)進(jìn)入到深部綜采階段，不僅綜采難度加大，而且綜采過程中巷道圍巖的穩(wěn)定性急劇惡化，導(dǎo)致綜采作業(yè)受阻，嚴(yán)重影響了井下綜采作業(yè)效率和安全的進(jìn)一步提升，因此迫切對現(xiàn)有的井下巷道支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化，提高其支護(hù)穩(wěn)定性，滿足支護(hù)可靠性的需求[1]。

本文以井下回采巷道為工程背景，在對巷道圍巖破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，揭示了復(fù)雜地形條件下圍巖發(fā)生破壞的機(jī)理，提出采用恒阻大錨索進(jìn)行補(bǔ)充加強(qiáng)的方案，結(jié)合恒阻大錨索對圍巖變形時對能量的吸收轉(zhuǎn)換特性，提出了一種新的復(fù)雜地形條件下的耦合支護(hù)方案，對該方案的應(yīng)用和效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，新的支護(hù)方案，能夠?qū)⒕聡鷰r變形平均降低44.375%，將對巷道綜采的超前影響范圍降低40%。對提升煤礦井下巷道圍巖穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

1 原支護(hù)方案及破壞現(xiàn)象分析

以煤礦井下回采巷道為例，其采深為471 m，巷道為矩形巷道，規(guī)格為3.5 m×5.2 m，采用了鋼帶+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方式，在巷道頂板處采用了直徑為22 mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿之間的距離為800 mm，錨索采用了直徑為21.6 mm 的錨索，各個錨索之間的距離設(shè)置為2.4 m×1.6 m。在巷道的兩幫，采用了直徑為20 mm 的錨桿，錨桿的間距設(shè)置為0.8 m，在錨桿和錨索支護(hù)處增加鋼網(wǎng)及鋼帶加強(qiáng)。

在回采作業(yè)過程中由于支護(hù)穩(wěn)定性差，導(dǎo)致巷道頂板下沉量大、圍巖兩幫變形量最大達(dá)到了800 mm，支護(hù)用的錨桿、錨索經(jīng)常受力破斷，需要不斷補(bǔ)強(qiáng)加固，嚴(yán)重影響了井下生產(chǎn)的正常進(jìn)行，井下破壞結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 井下圍巖變形示意圖

2 井下圍巖變形機(jī)制分析

為了對井下圍巖變形原因進(jìn)行分析，利用FLAC仿真建模軟件[2]，建立井下巷道地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，通過對井下實際地質(zhì)狀態(tài)的分析確定巷道內(nèi)不同層次巖層的密度、體積模量、剪切模量及黏聚力，通過對巷道綜采作業(yè)過程中礦壓波動及綜采擾動量的分析，加載在巷道上的邊界載荷為16 MPa。然后再利用程序編輯鋼帶+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)時的錨桿和錨索單元，用于分析在受力時的變化情況，巷道受擾動情況下的受力分布如圖2 所示。

圖2 井下巷道受力分布示意圖

由圖2 可知，井下巷道在受力情況下，其在支護(hù)區(qū)域的垂直應(yīng)力主要分布在巷道兩幫，但右側(cè)的應(yīng)力集中分布相對較為嚴(yán)重。剪切應(yīng)力主要分布在巷道底板的兩個底角位置以及巷道頂板的兩個肩窩的位置。井下的水平應(yīng)力主要是集中在巷道頂板的中砂巖層內(nèi)，因此當(dāng)中砂巖層的穩(wěn)定性被破壞以后能夠快速的釋放大量的能量，極易誘發(fā)井下礦壓沖擊。

井下巷道圍巖在經(jīng)歷多次應(yīng)力沖擊后，圍巖的塑性變形區(qū)域增大，頂板位置的巖層強(qiáng)度更高因此塑性變形區(qū)域相對于底板位置更小，再加上在底板區(qū)域的應(yīng)力集中，會導(dǎo)致底板處存在著大量的拉應(yīng)力和剪切單元，加劇底板的破壞，由于圍巖是一個整體，因此會隨著底板的變形，導(dǎo)致整體變形加劇，錨桿和錨索的彈性變形小，無法適應(yīng)巷道圍巖的變形，因此導(dǎo)致了受力拉斷，造成巷道圍巖的失穩(wěn)。

3 耦合支護(hù)方案

為了解決巷道圍巖變形情況下錨索、錨桿變形量大、受力破壞的情況，本文提出采用恒阻大變形錨索支護(hù)的方案，恒阻大變形錨索主要由桿體、連接套、恒阻器和螺母構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 恒阻大錨索結(jié)構(gòu)示意圖

通過測試，恒阻大錨索在受到1 J 能量沖擊情況下的錨桿變形量約為0.007 2 mm[3]，對能量的吸收效果極其顯著。當(dāng)固定進(jìn)巖層后，能夠通過高預(yù)應(yīng)力對圍巖進(jìn)行加固，解決了傳統(tǒng)錨桿錨索支護(hù)時預(yù)緊力施加不足的難題。當(dāng)圍巖出現(xiàn)變形后，恒阻大變形錨索通過吸收沖擊能量并通過恒阻器的變形來保證支護(hù)過程中的恒阻力，避免了礦用波動時沖擊能量的外泄[4]，實現(xiàn)了對巷道圍巖的防沖擊耦合支護(hù)。

因此為了對該耦合方案的實際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，對原始巷道圍巖支護(hù)情況進(jìn)行優(yōu)化，采用恒阻大變形錨索+鋼網(wǎng)+鋼帶的組合式支護(hù)，來提高井下圍巖在工作過程中的穩(wěn)定性，新的支護(hù)體結(jié)構(gòu)如圖4 所示[5]。

圖4 井下耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

4 支護(hù)穩(wěn)定性分析

為了對實際應(yīng)用情況進(jìn)行驗證，在井下回采巷道具有高沖擊特性的危險區(qū)域進(jìn)行驗證，在區(qū)域內(nèi)布置2 個觀測點(diǎn)，對在綜采作業(yè)過程中的圍巖變形量進(jìn)行檢查，優(yōu)化前后綜采作業(yè)過程中的變形量如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化前后巷道圍巖變形情況對比

由圖5 監(jiān)測結(jié)果分析可知，優(yōu)化前巷道頂板的最大變形量為241 mm，優(yōu)化后為121 mm，比優(yōu)化前降低了49.8%。優(yōu)化前巷道底鼓量約為302 mm，優(yōu)化后為176 mm，降低了41.7%。優(yōu)化前巷道東幫變形量約為277 mm，優(yōu)化后為162 mm，降低了41.5%。優(yōu)化前巷道西幫變形量約為265 mm，優(yōu)化后為147 mm，降低了44.5%。

可以看出，優(yōu)化后的耦合支護(hù)方式，能夠?qū)⑾锏绹鷰r的平均變形量降低44.375%，能夠顯著降低在綜采作業(yè)過程中巷道圍巖的變形量，有效提高了綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，同時通過對巷道綜采的超前影響范圍分析，優(yōu)化后的影響范圍由37 m 降低到了22.2 m，影響范圍縮小了40%。

5 結(jié)論

1）井下巷道圍巖塑性變形區(qū)域增大，在底板區(qū)域的應(yīng)力集中，破壞加劇，因此導(dǎo)致整體變形加劇，錨桿和錨索的彈性變形小，無法適應(yīng)巷道圍巖的變形，因此導(dǎo)致了受力拉斷，造成巷道圍巖的失穩(wěn)。

2）恒阻大變形錨索主要由桿體、連接套、恒阻器和螺母構(gòu)成，當(dāng)圍巖出現(xiàn)變形后，錨索通過吸收沖擊能量并通過恒阻器的變形來保證支護(hù)過程中的恒阻力，提高了支護(hù)穩(wěn)定性。

3）耦合支護(hù)方案，能夠?qū)⒕聡鷰r變形平均降低44.375%，將對巷道綜采的超前影響范圍降低40%。對提升煤礦井下巷道圍巖穩(wěn)定性具有十分重要的意義。