深埋煤層運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究及應(yīng)用

李宏毅

(山西三元煤業(yè)股份有限公司下霍煤礦,山西 長治 046600)

地下工程圍巖穩(wěn)定性與其自身性質(zhì)密切相關(guān),為節(jié)約成本,常以煤巷作為運(yùn)輸通道。煤巷頂板相比于巖巷強(qiáng)度低、變形大,巷道頂板垂直位移往往達(dá)不到安全生產(chǎn)條件,進(jìn)而導(dǎo)致巷道災(zāi)害頻發(fā),造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。同時,巷道所處環(huán)境越來越復(fù)雜,高地應(yīng)力、強(qiáng)采動等不利條件對巷道圍巖穩(wěn)定性造成很大威脅[6-8],鄭朋強(qiáng)等[9]采用等效圓方法計(jì)算得出了巷道圍巖松動圈范圍,并利用支護(hù)優(yōu)化措施來提高巷道圍巖穩(wěn)定性,解決了陽城煤礦三采區(qū)3310工作面運(yùn)輸巷變形大、難控制等問題。郭相平等[10]對9102回風(fēng)巷的變形機(jī)理進(jìn)行分析,提出了全錨索支護(hù)技術(shù),并在現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用,現(xiàn)場反饋結(jié)果表明,巷道圍巖變形量得到了有效控制,并取得良好效果。陳康等[11]通過現(xiàn)場富水弱膠結(jié)頂板取芯巖石試件進(jìn)行試驗(yàn)得出,巖石試件浸水24 h后即達(dá)到了飽和狀態(tài),其單軸抗壓強(qiáng)度降低,并提出采用頂板支護(hù)錨固力增強(qiáng)優(yōu)化技術(shù)及斷面優(yōu)化等方法來提高巷道圍巖穩(wěn)定性。張農(nóng)等[12]通過對現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn),提出了采用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力及高剛度的錨桿為支護(hù)基礎(chǔ),來提高深埋煤巷圍巖穩(wěn)定性。本文以下霍煤礦2305工作面運(yùn)輸巷為工程背景,巷道在服務(wù)期間圍巖變形量大、難控制,安全生產(chǎn)條件達(dá)不到要求,亟待采用支護(hù)優(yōu)化措施進(jìn)行解決。

1 工程背景

1.1 工程概況

下霍煤礦2305工作面隸屬3號煤層,厚度3.7～5 m,平均4.3 m.工作面標(biāo)高為+399～+461 m,平均埋深440 m,巷道斷面形式為矩形,寬5.4 m,高3.2 m.巷道頂?shù)装逯饕赡鄮r、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖、粉砂巖組成,工作面頂?shù)装鍘r層基本情況如表1所示。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r性特征

1.2 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

頂板采用Ф22 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿壓編織鋼筋網(wǎng)交錯周期支護(hù),每排4根布置,間距不一,排距1 000 mm,螺紋鋼錨桿預(yù)緊力矩不小于300 N·m.頂板網(wǎng)片采用編織鋼筋網(wǎng),規(guī)格為Φ6.5 mm×5 400 mm×1 200 mm.幫部選用Ф22 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿+菱形金屬網(wǎng)支護(hù),每排4根,排距1 200 mm,螺紋鋼錨桿預(yù)緊力矩不小于300 N·m.原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)圖(單位:mm)

1.3 巷道圍巖變形特征

2305工作面運(yùn)輸巷在回采期間,巷道斷面收斂嚴(yán)重,頂板部分鋼絲網(wǎng)斷裂,鋼帶遭到破壞,嚴(yán)重影響了生產(chǎn)能力。為查明原因,現(xiàn)場對巷道頂板進(jìn)行了鉆孔窺視,窺視結(jié)果如圖2所示。

圖2 巷道頂板圍巖窺視圖

由圖2分析可知:當(dāng)鉆孔深度為1.8 m時,巷道頂板圍巖裂隙發(fā)育明顯,含有較多縱向裂隙,周邊存在較多微裂隙,出現(xiàn)局部變形區(qū)。當(dāng)鉆孔深度為2.5 m時,巷道頂板圍巖裂隙發(fā)育有所減少,但還存在縱向裂隙、環(huán)向裂隙,且存在明顯的破碎區(qū)域,由此可判斷出巷道頂板上方0～2.5 m 范圍為破碎區(qū)。鉆孔深度達(dá)到3.5 m后,圍巖完整性明顯提高,雖存在環(huán)向裂隙,但裂縫發(fā)育不明顯。

2 巷道圍巖松動圈的應(yīng)力計(jì)算

地下井巷開挖后,巷道表面在一定范圍內(nèi)會產(chǎn)生塑性破壞,若破壞范圍過大,則不利于圍巖穩(wěn)定。但現(xiàn)場通常采用錨桿錨索加固方法來控制圍巖變形。對于巷道圍巖松動圈的計(jì)算,大多將矩形巷道簡化為圓形巷道來進(jìn)行計(jì)算,采用柯西(Kirsh,1898) 定理對其進(jìn)行求解。

當(dāng)σh=λσv時,巷道圍巖塑性區(qū)應(yīng)力為[13]:

(1)

當(dāng)采用 Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則計(jì)算圍巖的松動范圍時,Mohr-Coulomb 塑性條件為[13]:

(2)

式中:Cm為圍巖體的黏聚力;φm為圍巖體的內(nèi)摩擦角。將公式(1)代入到公式(2) 中整理可得:

fm=k1m4+k2m3+k3m2+k4m+k5

(3)

k1=-9(1-λ)2

k2=6(1-λ)[(1+λ)cos2θ+2(1-λ)]

k3=4(sin2φm-3)(1-λ)2cos22θ+4(1-λ)2cos2θ+(1-6λ+λ2)

當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ= 1 時,即σh=σv時,代入式(3)得:

(4)

由式(4) 計(jì)算可得出松動圈半徑[13]為;

(5)

ls=r1-d

le=r1-c

式中;d、c分別代表矩形巷道的高度和寬度的一半,m.

巷道的寬度和高度分別為5.4 m、3.2 m,取其一半后,即c=2.7 m、d=1.6 m,將相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)φm=20°、Cm=0.8 MPa、σv=11 MPa代入公式(5)求得r1=4.9 m,將r1代入公式(6)、(7)求得ls=3.3 m、le=2.2 m.

通過現(xiàn)場鉆孔窺視得出鉆孔深度達(dá)到3.5 m后,圍巖完整性明顯提高,雖存在環(huán)向裂隙,但裂縫發(fā)育不明顯,說明距巷道頂板3.5 m處圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時基于巷道松動圈理論,計(jì)算出巷道頂板松動圈高度為3.3 m,兩幫松動圈范圍為2.2 m.而現(xiàn)場巷道頂板及兩幫的錨桿長度為2.5 m,未有效穿過巷道松動圈范圍,錨固到上覆堅(jiān)硬巖層中,是導(dǎo)致巷道斷面收斂嚴(yán)重的根本原因。

3 數(shù)值模擬

現(xiàn)場通過鉆孔窺視和理論計(jì)算得出,原有的支護(hù)方式未有效穿過巷道松動圈范圍,錨固到巷道堅(jiān)硬巖層中,是導(dǎo)致巷道斷面收斂嚴(yán)重的根本原因。因此,現(xiàn)場提出可以增加錨桿的長度及密度來提高巷道頂板、兩幫圍巖穩(wěn)定性。巷道頂板錨桿長度由原來2 500 mm換成4 300 mm,間距由1 057 mm改成960 mm;兩幫原有的支護(hù)方式不變,增加3根錨索來共同提高圍巖穩(wěn)定性。

為驗(yàn)證方案合理性,建立FLAC3D數(shù)值模型。在建立數(shù)值計(jì)算模型的過程中,考慮到模型邊界效應(yīng)及計(jì)算速度,最終確定數(shù)值計(jì)算模型邊長為xyz=30 m×30 m×30 m.模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型,模型四周及底面全部施加位移約束,計(jì)算模型頂部施加應(yīng)力邊界。

現(xiàn)場通過原有支護(hù)方式和改變后的支護(hù)方式進(jìn)行對比分析來驗(yàn)證方案合理性。以巷道頂板、兩幫圍巖位移量及巷道圍巖塑性破壞區(qū)作為評價指標(biāo)。原有支護(hù)方式下巷道圍巖云圖如圖3所示。

圖3 原有支護(hù)方式下巷道圍巖云圖

通過對圖3分析可知,在原有支護(hù)方式下,巷道頂板垂直位移量達(dá)到110.7 mm,水平位移量達(dá)到102.5 mm.巷道頂板圍巖塑性破壞區(qū)高度約3.5 m;兩幫塑性破壞區(qū)達(dá)到2.5 m,與理論計(jì)算和現(xiàn)場窺視結(jié)果基本相同,巷道頂板圍巖主要以剪切破壞為主。優(yōu)化后支護(hù)方式下的巷道圍巖云圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化支護(hù)方式后巷道圍巖云圖

通過對圖4分析可知,采用支護(hù)優(yōu)化方案后,巷道頂板豎向位移量達(dá)到65.0 mm,水平位移量達(dá)到62.9 mm.巷道頂板及兩幫圍巖塑性破壞區(qū)高度分別為2.5 m和1.5 m,且主要以受剪破壞為主。

由圖3、圖4對比分析可知,巷道頂板垂直位移量由原來110.7 mm減少至65 mm,減少量達(dá)到41%;同理可得,兩幫位移量減少量達(dá)到38.6%.表明采用該支護(hù)方式是合理的,能有效減少巷道圍巖位移量,提高圍巖穩(wěn)定性。同時,錨桿錨索長度可有效穿過圍巖塑性破壞區(qū),錨固到上覆堅(jiān)硬巖層中。

4 工程實(shí)踐

頂板采用6根Ф21.8 mm×4 300 mm預(yù)應(yīng)力全長錨固柔性錨桿壓編織鋼筋網(wǎng)支護(hù),排距900 mm,柔性錨桿預(yù)緊力不小于200 kN;柔性錨桿預(yù)應(yīng)力全長錨固注漿施工適當(dāng)滯后200～300 m進(jìn)行。網(wǎng)片采用編織鋼筋網(wǎng),規(guī)格為Φ6.5 mm×5 400 mm×1 100 mm.幫部采用4根Ф22 mm×2 500 mm預(yù)應(yīng)力全長錨固左旋無縱筋螺紋鋼錨桿支護(hù),排距1 000 mm,錨桿預(yù)緊力矩300 N·m;螺紋鋼錨桿預(yù)應(yīng)力全長錨固注漿施工適當(dāng)滯后200～300 m進(jìn)行。每兩排左旋無縱筋螺紋鋼錨桿中間采用2根Ф21.8 mm×4 300 mm預(yù)應(yīng)力全長錨固錨索壓14號槽鋼支護(hù),形成“走向錨索梁”布置,間排距為850 mm×1 000 mm;錨索預(yù)緊力不小于200 kN(當(dāng)煤幫因片幫而凹凸不平、鋼帶不能緊貼巖面時,取消鋼帶,采用單體錨索支護(hù))。優(yōu)化后巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖(單位:mm)

為驗(yàn)證優(yōu)化支護(hù)措施對巷道圍巖控制效果,現(xiàn)場在2305工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),并對巷道圍巖表面位移進(jìn)行了監(jiān)測,監(jiān)測時間為140 d.現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形量監(jiān)測圖

由圖6分析可知,巷道頂板、兩幫及底板最大位移量分別達(dá)到110 mm、100 mm、20 mm,巷道總體變形量較小,表明優(yōu)化后支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)與注漿配合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制且巷道圍巖變形量在100 d后,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 語

1) 通過現(xiàn)場窺視和理論計(jì)算得出,造成2305工作面運(yùn)輸巷服務(wù)期間圍巖變形量大、難控制的主要原因是錨桿長度未有效穿過巷道圍巖松動圈范圍。

2) 通過數(shù)值模擬得出,巷道頂板垂直位移量由原來110.7 mm減少至65 mm,減少量達(dá)到41%,兩幫位移量減少量達(dá)到38.6%,表明優(yōu)化支護(hù)方案可有效控制圍巖變形量。

3) 現(xiàn)場實(shí)踐表明,巷道頂板、兩幫及底板最大位移量分別達(dá)到110 mm、100 mm、20 mm,巷道總體變形量較小,且巷道圍巖變形量在100 d后,基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。