李彥斌,楊永康,蘇學貴

(太原理工大學a.礦業(yè)工程學院;b.采礦工藝研究所,太原030024)

錨噴聯(lián)合支護是一種經(jīng)濟合理的支護方式。它是采用積極主動的支護原理,充分發(fā)揮圍巖的自承作用,使噴層、錨桿和圍巖緊密地結合成一個整體,以控制圍巖變形、位移和裂隙發(fā)展。國內外學者在錨噴聯(lián)合支護方面已做了大量研究?？堤旌蟍1]等提出采用錨桿、金屬網(wǎng)、錨索等進行聯(lián)合錨固的方法;高明仕[2]等提出三維錨索與巷幫卸壓組合技術;張開智[3]等提出軟巖巷道強殼體支護,采用“短、細、密”的錨桿支護方式：何滿潮[4]等提出預留剛隙柔層控制方法;康紅普[5]等提出全斷面強力錨索支護技術。隨著技術的實踐應用,巷道圍巖穩(wěn)定性理論也在趨于完善。根據(jù)不同地質條件,眾多學者提出了懸吊理論,組合梁理論,均勻壓縮拱理論,最大水平應力理論,圍巖強度強化理論,松動圈支護理論等[6],隨著煤礦開采往深部發(fā)展,巷道圍巖支護遇到很多問題,但眾多的技術和理論都沒有考慮巷道圍巖的埋深效應。本文以太原煤氣化南山煤礦2220工作面回風巷為例,運用圍巖穩(wěn)定性分類、數(shù)值模擬確定了合理的錨固方式,并分析了圍巖的埋深效應。

1 工程概況

南山煤礦2號煤平均厚度為3.15 m,為復雜結構煤層,含矸2～4層,埋深為160～290 m,為埋深變化比較大的煤層。2號煤層的頂?shù)装鍘r層特性如表1所示。2號煤的單軸抗壓強度為10.9 MPa,屬于中硬煤。煤層直接頂板多為粉砂巖,裂隙不發(fā)育,膠結致密,老頂為細粒砂巖,單軸抗壓強度為46.3 MPa,單向抗拉強度為4.02 MPa。

2220工作面位于井田西南部2I采區(qū),相鄰的井下工作面關系為南2224設計工作面,北為F01斷層,東為運輸下山,西為2218工作面采空區(qū)。回風巷設計全長680 m,采用矩形斷面寬×高=2.2 m×2.1 m。

表1 2號煤層及其頂?shù)装鍘r層的物理力學參數(shù)

2 錨固參數(shù)選擇

根據(jù)我國煤礦采準巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案,確定該巷道為中等冒落2類頂板。相鄰2218工作面頂板煤幫均采用?16 mm×1 600 mm的樹脂圓鋼錨桿,均采用二根為一組排列布置,間排距為1 000 mm×1 000 mm,墊板尺寸為400 mm×200 mm×50mm的松木板塊,排組距偏差幅度小于50 mm,錨桿外露長度＜30 mm。2218回風巷埋深大的區(qū)域出現(xiàn)頂板及兩幫收斂速度明顯加快,需要返工加強支護?，F(xiàn)場對樹脂金屬錨桿實測,錨固力 15 MPa,傾壓支承壓力值距煤幫低于5 m,兩幫幫體擠壓破壞低于0.8 m。根據(jù)以上參數(shù),2220工作面回風巷應該加強支護。由于2號煤層無偽頂,直接頂為粉砂巖,頂部錨桿主要起懸吊作用,計算測壓采用自然平衡拱法,作為錨桿支護參數(shù)設計理論。根據(jù)圍巖特點、錨桿性質、錨固劑的力學特性等給出的錨固參數(shù)為：頂板采用?18 mm×1 800 mm的左旋螺紋鋼錨桿,煤幫采用?16 mm×1 600 mm的樹脂圓鋼錨桿,間排距為700 mm×1 000 mm。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 地質力學條件

表1所列參數(shù)為實驗室對小試件測定數(shù)據(jù),計算時對煤和巖石的強度參數(shù)分別考慮0.7和0.8的裂隙影響系數(shù)。考慮構造和采空區(qū)的影響,計算時取σh=1.2συ。工作面沿2號煤底板推進,采高2.1 m,工作面長度85 m。

3.2 計算方法

采用美國大型巖土工程計算軟件FLAC3D計算。采用彈塑性模型,運用Mohr-Coulomb準則判斷巖體的屈服破壞,即：

式中：σ1,σ3分別為最大和最小主應力;C,Φ分別為材料的粘結力和內摩擦角;σt為抗拉強度;N=(1+sinΦ)/(1-sinΦ);當 f s=0時,材料將發(fā)生剪切破壞;當 ft=0時,材料將產(chǎn)生拉伸破壞。

3.3 計算模型

模型尺寸為119.7 m×200 m×53.1 m。工作面長度為85 m,運輸巷和回風巷兩側各留15 m的保護煤柱,加上兩條巷道寬度共119.7 m;模擬巷道長度200 m;模擬煤層厚3.1 m,頂板 40 m,底板 10 m。模型上覆巖層的重力,按均布荷載施加在模型的上部邊界。

模型的四個側面為位移邊界,限制水平移動;底部為固定邊界,限制水平移動和垂直移動。整個模型共劃分為88273個單元,90903個結點。網(wǎng)格大小過渡使用Attach語句聯(lián)接。模擬時,考慮巷道在150 m,200 m,250 m和300 m等4種埋深時的圍巖穩(wěn)定性。

3.4 結果及分析

3.4.1 圍巖屈服破壞特征隨埋深變化

圖1示出不同埋深時的回風巷道圍巖屈服破壞特征。埋深150 m時,僅巷道頂幫兩角和幫部有深度為0.5 m的剪切破壞。埋深200 m時,底角開始出現(xiàn)深度為0.5 m的破壞,頂板和兩幫的破壞深度不變,但是破壞范圍明顯增大。埋深250 m時,頂板最大破壞深度已經(jīng)達1 m,幫底角也出現(xiàn)深度1 m的破壞。埋深300 m時,頂板與兩幫的最大破壞深度仍為1 m,但破壞范圍明顯增大,底板破壞深度增大至1 m。從圍巖屈服破壞特征分布來看,隨埋深增大,圍巖屈服破壞范圍增大。在300 m的埋深范圍內,回風巷道圍巖處于完整狀態(tài),支護的目的是防止巷道圍巖沿原有節(jié)理、裂隙或層理弱面垮落。

圖1 不同埋深時圍巖屈服破壞特征

3.4.2 圍巖應力隨埋深變化

圖2 不同埋深時圍巖垂直應力分布云圖

圖3 距巷幫不同距離處垂直應力分布曲線

圖2 和圖3分別示出不同埋深時的回風巷道圍巖垂直應力分布云圖和分布曲線?？煽闯?由于巷道開挖,在頂?shù)装逯胁啃纬纱怪睉档凸皡^(qū),在兩幫中部形成垂直應力升高拱區(qū)。頂?shù)装逯胁垮^桿錨固范圍內垂直應力較小,其值是原巖應力的50～75%;頂板兩側錨桿錨固段圍巖應力為原巖應力的70～105%;兩幫錨桿錨固范圍內的垂直應力較大,其值是原巖應力的130～170%,為應力升高區(qū),分布形式上基本呈對稱分布。隨埋深增加,垂直應力峰值增加：埋深150 m,4.77 MPa是原巖應力3.75 MPa的1.27倍;埋深200 m,6.31 MPa是原巖應力5.0 MPa的1.26倍;埋深250 m,7.92 MPa是原巖應力 6.25 MPa的1.27倍;埋深300 m,9.46 MPa是原巖應力7.5 MPa的1.26倍。隨埋深增加,錨固區(qū)內應力集中系數(shù)減小,垂直應力應該向巷道圍巖深處轉移。峰值點位置位于距巷幫1～3 m范圍之內。

圖4 距巷幫不同距離處水平應力分布曲線

圖4 示出不同埋深時,回風巷道圍巖水平應力分布曲線。可以看出,隨巷道的開挖,兩幫形成水平應力降低拱區(qū),其范圍隨埋深增加而增大。在頂板錨桿錨固段的水平應力為原巖應力的1～1.2倍,基本上處于原巖應力水平,頂板是穩(wěn)定的;兩幫中部錨桿錨固段水平應力不到原巖應力的三分之一,應加強巷幫錨桿的預緊力。

3.4.3 圍巖變形量隨埋深的變化

圖5示出圍巖變形量隨埋深變化的影響曲線(錨索錨固范圍指距巷道頂板1.8～6 m位置的位移變化),顯然圍巖變形量隨埋深增大而增大。頂?shù)装逡平繛?.3～19.0 mm;錨桿錨固范圍內頂板離層量為3.2～10.2 mm,錨索錨固范圍內頂板離層量為0.7～1.4 mm,錨桿錨索范圍的總離層量為4.0～11.6 mm。由此可見巷道圍巖是穩(wěn)定的。

圖5 埋深對圍巖變形量的影響

4 結論

1)隨著埋深的增大,巷道圍巖屈服范圍擴大,變形量增加。頂?shù)装逍纬傻拇怪睉皡^(qū)范圍擴大,兩幫垂直應力核有向深部轉移的趨勢。兩幫形成的水平應力降低拱區(qū)范圍擴大,頂?shù)装逅綉擞邢蛏畈哭D移的趨勢。巷道圍巖支護設計應該考慮巷道的埋深效應。

2)在無斷層或其它地質構造影響時,優(yōu)化方案所提供的支護參數(shù)在開采深度為300 m以內時安全的。

3)遇到斷層、頂板破碎、陷落柱或其它構造破碎帶等地質條件異常時,可采用預應力錨索進行加強支護,非常必要時可采用錨注加固或加套抬棚,并密切監(jiān)測。

4)巷道的破壞均以剪切破壞為主,施工中要特別強調頂板兩側錨桿向外傾斜15°,并確保預緊力達到設計要求。

5)現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn),回風巷頂板及右?guī)湾^桿工作載荷在0～11 d變化不大,基本保持10 kN的初錨力,之后緩慢增加,保持在 10～20 kN,頂部略高于右?guī)?。但左幫錨桿(即靠近采空區(qū)一側)從第3天起不斷增大,隨著工作面向測點的推進,3～16 d內由初錨力10 kN增加到50 kN,并長時間持續(xù)為高峰值。因此,回風巷左幫錨桿受力明顯高于右?guī)秃晚敯邋^桿,高出150%。主要原因在于,回風巷靠近采空區(qū)一側煤幫受上部頂板來壓影響,將煤壁向外擠壓,使錨桿錨托力受力增大。應采取“護頂先護幫”的原則,加強巷道兩幫的支護管理。

6)初始設計應用后,必須進行井下專項監(jiān)測和日常檢查,取得反饋信息后,及時分析是否需要對初始設計進一步修正,以確保礦井安全生產(chǎn)。

[1] 康天合,郜進海,潘永前.薄層狀碎裂頂板綜采切眼錨固參數(shù)與錨固效果[J].巖石力學與工程學報,2004,23(增2)：4930-4935.

[2] 高明仕,張農,郭春生,等.三維錨索與巷幫卸壓組合支護技術原理及工程實踐[J].巖土工程學報,2005,27(5)：587-590.

[3] 張開智,夏均民,蔣金泉.軟巖錨桿強殼體支護結構及合理參數(shù)研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(4)：668-672.

[4] 何滿潮,郭志飚,任愛武,等.柳海礦運輸大巷返修工程深部軟巖支護設計研究[J].巖土工程學報,2005,27(9)：977-980.

[5] 康紅普,林健,吳擁政.全斷面高預應力強力錨索支護技術及其在動壓巷道中的應用[J].煤炭學報,2009,34(9)：1153-1159.

[6] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,2003.