張向東，李慶文，李桂秀，黃開勇

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

0 引言

隨著國家“西部大開發(fā)、西電東送、南水北調(diào)”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國工業(yè)化水平逐步提高，能源的需求量日益增加，而80%的能源來自煤炭。隨著淺部資源的開采完畢、大跨度大斷面的煤巷不斷出現(xiàn)、各種復(fù)雜地質(zhì)條件接踵而至，在錨桿支護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)上，探索出一個(gè)適應(yīng)大跨度動(dòng)壓煤巷的支護(hù)體系和支護(hù)參數(shù)越來越得到重視，還要滿足安全和經(jīng)濟(jì)的雙重要求，目前主要是以錨網(wǎng)、錨網(wǎng)索等耦合支護(hù)體系作為軟巖巷道穩(wěn)定性控制新技術(shù)［1］。高家梁煤礦20307回采工作面回風(fēng)巷道頂?shù)装搴蛢蓭蜑閺?fù)合型泥質(zhì)軟巖，在動(dòng)壓下容易產(chǎn)生煤巷斷面收縮、頂板離層和冒落、錨桿錨索錨固失效、滲水等現(xiàn)象，原有支護(hù)方案無法滿足煤礦的正常生產(chǎn)，不能確保煤巷繼續(xù)正常開采，需要新的支護(hù)方案。本文在前人現(xiàn)有研究成果［2-14］的前提下，通過對(duì)工程地質(zhì)力學(xué)和軟巖工程力學(xué)對(duì)動(dòng)壓影響大跨度軟巖巷道圍巖變形破壞力學(xué)機(jī)制分析，提出錨索網(wǎng)帶注的耦合支護(hù)方案對(duì)策，利用有限差分法軟件Flac3D進(jìn)行方案分析，并對(duì)巷道圍巖表面變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，工程應(yīng)用效果表明煤巷耦合支護(hù)設(shè)計(jì)方案支護(hù)效果顯著，為減小動(dòng)壓作用下大跨度軟巖巷道圍巖變形的措施提供新思路和新方法。

1 工程概況

高家梁煤礦位于鄂爾多斯市東南部約8km，行政區(qū)劃隸屬于東勝區(qū)伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)。具體位于銅匠川與泉和常村交匯處東側(cè)1.7km的銅匠川南側(cè)川道臺(tái)地上。井田東與塔拉壕井田毗鄰，南與東勝南區(qū)相接，西與王家塔井田為鄰，北與李家壕井田相接。井田南北最長約 14.09km，東西最寬約12.69km，面積約87.42km2。萬利礦區(qū)銅匠川鐵路專用線位于該煤礦工業(yè)場(chǎng)地東南側(cè)設(shè)有裝車站，線路全長24km，向西既有包神鐵路及烏蘭木倫河，向北接軌于擬建包西鐵路東勝站。礦區(qū)公路從礦井工業(yè)場(chǎng)地向東與鄂爾多斯市環(huán)城一級(jí)公路和109國道相交處相接，線路全長6.9km，交通十分便利。煤礦的具體位置如圖1所示。

圖1 高家梁煤礦位置Fig.1 Location of Gaojialiang coal mine

20307工作面位于高家梁煤礦-200m開采區(qū)內(nèi)，由地質(zhì)柱狀圖可知，主采煤層為侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)，煤層平均厚度3.0m，平均煤層傾角3°。煤層頂板以青灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，局部為中砂巖。底板主要為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，局部為泥巖、細(xì)砂巖。頂?shù)装鍘r石為砂泥質(zhì)膠結(jié)，較為松軟易碎、含有少量水分，巖石遇水易泥化。工作面大致呈EW走向，巷道整體埋深為157.65～264.89m。按照高家梁礦生產(chǎn)計(jì)劃，20307工作面是2中煤層的主要開采工作面，其回風(fēng)順槽受過20306工作面及2上煤層20107工作面的多次采動(dòng)影響，加上自身回采工作面的擾動(dòng)影響，所以20307回風(fēng)巷道目前是受多次采動(dòng)影響。本文選取20307回風(fēng)順槽受多次動(dòng)壓影響軟巖煤巷作為研究對(duì)象，巷道斷面為矩形，尺寸為5.2m×3.3m(長×寬)，主要用于回風(fēng)、運(yùn)料、行人等用途，屬于典型大跨度動(dòng)壓煤巷。

圖2 巷道平面布置圖Fig.2 Plane layout of roadway

2 動(dòng)壓煤巷變形破壞力學(xué)機(jī)制分析

高家梁礦大部分巷道為煤巷，因很多工作面的回風(fēng)順槽曾作相鄰工作面的輔運(yùn)順槽，隨著回采工作的進(jìn)行，很多巷道是受到不同程度的開采動(dòng)荷載影響。地質(zhì)資料和水文資料可知該煤礦屬于簡(jiǎn)單地質(zhì)構(gòu)造型礦井，主要受自重應(yīng)力場(chǎng)和工程偏應(yīng)力場(chǎng)的影響。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況看，頂板和兩幫的裂隙較為發(fā)育而且有不斷擴(kuò)展貫通的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象在動(dòng)壓作用下大跨度煤巷表現(xiàn)的更加明顯，主要是因?yàn)樵谧灾貞?yīng)力或者工程荷載的影響下出現(xiàn)應(yīng)力擴(kuò)容現(xiàn)象。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告可知該煤礦20307工作面的頂?shù)装逯饕缮罨疑纳百|(zhì)泥巖構(gòu)成，主要特征是普氏系數(shù)低，而且富含粘性礦物;煤巷圍巖中有大量的毛細(xì)水和孔隙水存在，粘性礦物遇水迅速膨脹和泥化，強(qiáng)度迅速降低;加上受不同程度回采或爆破的擾動(dòng)影響，使得圍巖穩(wěn)定性大幅度減小，表現(xiàn)出明顯的物化膨脹類軟巖變形特征;煤巷在低地應(yīng)力環(huán)境下表現(xiàn)出明顯的軟巖破壞現(xiàn)象，也證明該礦煤巷軟巖是典型的地質(zhì)軟巖。綜合水文地質(zhì)資料、工程勘察報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)破壞情況調(diào)研等三方面分析可知，高家梁煤礦的2上煤層和2中煤層的大跨度動(dòng)壓煤巷變形屬于應(yīng)力擴(kuò)容膨脹型復(fù)合地質(zhì)軟巖，針對(duì)這一破壞機(jī)制采用“錨網(wǎng)索帶注”的耦合支護(hù)方案對(duì)策，即“高強(qiáng)錨桿+金屬網(wǎng)+錨索+鋼帶+水患區(qū)注漿”的耦合支護(hù)體系。煤巷平面布置圖和斷面支護(hù)參數(shù)布置情況如圖2和圖3所示。

圖3 巷道斷面布置圖Fig.3 Layout of vertical roadway

3 動(dòng)壓軟巖巷道耦合支護(hù)數(shù)值試驗(yàn)

3.1 計(jì)算模型及模型參數(shù)

20307工作面回風(fēng)順槽巷道模型尺寸大小為60m×54m×60m(長×寬×高)，巷道實(shí)際尺寸為5m×54m×3.3m，模型共27300個(gè)單元，29611個(gè)節(jié)點(diǎn)。巷道的實(shí)際埋深大概為200m，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)為2.0，施加大小為5.0MPa豎向應(yīng)力來模擬模型上部應(yīng)力邊界條件［9］。對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬是在掘進(jìn)完成后，其中巷道頂板和兩幫的巖體均采用六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，用Cable結(jié)構(gòu)單元來模擬錨桿和錨索，金屬網(wǎng)用Shell結(jié)構(gòu)單元來模擬。三維模型具體如圖4所示。

回風(fēng)巷道掘進(jìn)主要采用分段全斷面的開挖方法，單次掘進(jìn)量6m，共9步，支護(hù)模擬完成后進(jìn)行下一階段的循環(huán)直至巷道全部開挖完成。巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系，金屬網(wǎng)彈性模量為17GPa，泊松比為0.42，厚度為8mm。巷道采用“錨網(wǎng)索帶注”耦合支護(hù)設(shè)計(jì)方案，回風(fēng)巷道圍巖、錨桿錨索等支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)具體如表1和表2所示。

圖4 三維計(jì)算模型Fig.4 Three-dimensional calculation model

3.2 模擬方案分析

20307回風(fēng)巷道主要受多次采動(dòng)影響，煤巷深度大約在200m，屬于淺埋軟巖巷道。通過查閱地質(zhì)勘察資料可以得出該煤田所處區(qū)域沒有大的斷層及褶皺構(gòu)造，即沒有較大的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，巷道所處煤巖層主要受重力的作用，同時(shí)本文中沒有研究地下水對(duì)支護(hù)穩(wěn)定性的影響，故不考慮滲流的作用。為揭示動(dòng)壓影響下大跨度軟巖巷道非線性變形響應(yīng)和錨網(wǎng)索帶注耦合支護(hù)效果，模擬計(jì)算工況如下:

(1)根據(jù)高家梁礦區(qū)20307工作面的地形地貌特征，進(jìn)行工作面回采前的初始應(yīng)力場(chǎng)平衡計(jì)算，并將位移清零工作，僅考慮巖體自重引起的初始應(yīng)力，側(cè)向水平應(yīng)力系數(shù)取1/3。不考慮巖體節(jié)理裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面的影響，材料各項(xiàng)同性。

(2)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、鉆探和地質(zhì)勘察報(bào)告等資料確定煤巷的開采范圍，按照開采的時(shí)間順序，研究在多次采動(dòng)荷載作用下耦合支護(hù)巷道變形的響應(yīng)特征分析。

最后，將數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)耦合支護(hù)的效果進(jìn)行分析，進(jìn)而評(píng)估耦合支護(hù)設(shè)計(jì)方案的有效性和實(shí)用性。

表1 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physico-mechanical parameters of roadway surrounding rocks

表2 錨桿及錨索力學(xué)參數(shù)Table 2 Anchor and cable mechanical parameters

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

為研究采動(dòng)荷載作用下大跨度軟巖巷道耦合支護(hù)20307工作面的圍巖變形情況，采用有限差分Flac3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬無支護(hù)和耦合支護(hù)兩種條件下的巖體表面變形特征，對(duì)比分析耦合支護(hù)方案設(shè)計(jì)的理論效果。支護(hù)前后豎直和水平兩個(gè)方向巷道位移如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6對(duì)比分析可知，煤巷支護(hù)前后頂?shù)装宓呢Q向位移場(chǎng)都呈拱形分布，而且在兩幫中部存在垂直位移不動(dòng)點(diǎn)，頂?shù)装遄冃味急容^大，支護(hù)后巷道變形和塑性影響區(qū)域都得到控制。巷道兩幫水平位移場(chǎng)呈蝴蝶狀分布，支護(hù)前兩幫中間水平位移最大，最大值為32.29mm，支護(hù)后達(dá)到4.02mm。在煤巷圍巖深處，水平位移為零的場(chǎng)線將位移場(chǎng)劃分為四個(gè)區(qū)域，分別是上下位置都是壓力區(qū)、左右位置為拉力區(qū)。煤巷變形率基本控制在3%以內(nèi)，根據(jù)何滿朝教授的洞室埋深和理論適用關(guān)系可知，該巷道屬于淺部洞室變形特征，歸于現(xiàn)有巖石彈塑性力學(xué)理論研究范圍。

因矩形巷道斷面形式在開挖后的位移場(chǎng)與直墻半圓拱斷面形式巷道有所不同，按照材料力學(xué)理論可知，矩形斷面因轉(zhuǎn)角處不圓滑容易造成應(yīng)力集中，其變形破壞的關(guān)鍵部位與較圓滑的直墻半圓拱不同，因此對(duì)其關(guān)鍵部位變形響應(yīng)的研究很有意義，通過有限差分軟件 Flac3D的 History記錄功能［10］，設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)20307工作面回風(fēng)道有無支護(hù)位移場(chǎng)作對(duì)比分析。提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移記錄值如表3所示。

圖5 巷道無支護(hù)豎直和水平方向位移Fig.5 Vertical and horizontal displacements roadway without coupling support

圖6 巷道耦合支護(hù)后豎直和水平方向位移Fig.6 Vertical and horizontal displacements after roadway coupling support

表3 20307回風(fēng)巷道支護(hù)前后位移對(duì)比Table 3 Displacement comparative table of 20307 air roadway before and after supporting

通過表3看到，巷道采用錨網(wǎng)索帶注耦合支護(hù)方案后，巷道變形量的變化率達(dá)到70.1% ～93.6%，其中頂板位移由215.4mm降低到33.20mm，變化率為79.5%，巷道兩幫中部向內(nèi)收斂量由32.29mm降低到4.02mm，變化率為87.6%。軟巖巷道進(jìn)行耦合支護(hù)后，圍巖變形得到有效的控制，這對(duì)煤巷穩(wěn)定性與安全性有顯著提高。

4 動(dòng)壓軟巖巷道耦合支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 圍巖表面位移監(jiān)測(cè)

為研究受多次采動(dòng)影響下20307工作面回風(fēng)煤巷各施工階段與耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，掌握回采過程中巷道表面受不同程度動(dòng)壓影響下的穩(wěn)定狀態(tài)［11］，來確保圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)可靠性和巷道掘進(jìn)安全。在回風(fēng)巷道距回采工作面70m和100m斷面位置處布置兩個(gè)監(jiān)測(cè)站，分別命名為Ⅴ和Ⅵ測(cè)站，20307煤巷布置和測(cè)站分布情況如圖2所示。在Ⅴ和Ⅵ兩個(gè)測(cè)站布置相同的三個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，采用十字布置方式，分別為頂板中點(diǎn)、左幫離底板1.5m處、右?guī)碗x底板1.5m處，具體測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)采用JSS30A數(shù)顯式收斂計(jì)和SPRINTER250M水準(zhǔn)儀以及自制掛鉤等儀器。監(jiān)測(cè)頻率［14］方案分別設(shè)置為，離工作面50m以內(nèi)為一天監(jiān)測(cè)一次，距工作面距離超過50m，監(jiān)測(cè)頻率是兩天一次，直到回采工作面掘進(jìn)至監(jiān)測(cè)站的位置處。

4.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

軟巖屬于流變材料，受力變形過程與時(shí)間相關(guān)，為研究煤巷流變特性，曲線圖采用時(shí)間作為橫坐標(biāo)。經(jīng)過對(duì)Ⅴ和Ⅵ兩個(gè)巷道斷面的長期監(jiān)測(cè)，量測(cè)AB、AD、BD和AC的長度，再進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算，即可整理分析出在受多次采動(dòng)影響下，20307工作面回風(fēng)巷道Ⅴ和Ⅵ測(cè)站頂?shù)缀蛢蓭褪諗壳€和變形速率曲線如圖7和圖8所示。控制，耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系的強(qiáng)度和剛度都能達(dá)到耦合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)最大限度的發(fā)揮圍巖和耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)自承能力，這與讓壓支護(hù)和主動(dòng)承載理論的理念相符合。

圖7 測(cè)站Ⅴ巷道相對(duì)變形和變形速率曲線圖Fig.7 Curves of relative deformation and deformation velocity of roadway on measuring stationⅤ

圖8 測(cè)站Ⅵ巷道相對(duì)變形和變形速率曲線圖Fig.8 Curves of relative deformation and deformation velocity of roadway on measuring stationⅥ

5 應(yīng)用效果分析

從耦合支護(hù)后模擬結(jié)果圖6和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線圖7與圖8的對(duì)比結(jié)果如表4所示，頂?shù)资諗勘O(jiān)測(cè)變形比數(shù)值分析結(jié)果較小，兩幫相對(duì)變形值較接近。是因頂?shù)装迨諗克俾时容^快，能夠監(jiān)測(cè)到變形值不大于數(shù)值模擬變形值，兩幫相對(duì)收斂速率較慢，所以兩幫移近變形監(jiān)測(cè)值與模擬值近似。頂?shù)椎哪M值與監(jiān)測(cè)值相似率達(dá)到90.4%，兩幫分析結(jié)果與監(jiān)測(cè)值達(dá)到95%。由此可知，在受多次動(dòng)壓荷載作用下大跨度軟巖煤巷采用有限差Flac3D軟件對(duì)錨網(wǎng)索帶注耦合支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定適用性，耦合支護(hù)能最大限度地利用圍巖自身承能力、發(fā)揮錨桿錨索支護(hù)能力和調(diào)動(dòng)深部圍巖的強(qiáng)度，從而使圍巖和錨桿、錨索、網(wǎng)等支護(hù)體達(dá)到優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化和荷載均勻化，最終實(shí)現(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)的最佳耦合支護(hù)狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定性的目的［14］。

6 結(jié)論

(1)通過對(duì)高家梁煤礦2中煤層回風(fēng)巷道工程地質(zhì)條件和變形破壞力學(xué)機(jī)制分析，確定20307工作面受動(dòng)壓影響大跨度回風(fēng)巷道變形屬于應(yīng)力擴(kuò)容膨脹型復(fù)合地質(zhì)軟巖，并探索出錨網(wǎng)索帶注耦合支護(hù)方案。采用有限差分法軟件Flac3D對(duì)耦合支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析，確定頂?shù)装遄冃巫畲?，其次是兩幫?/p>

(2)對(duì)動(dòng)壓下大跨度軟巖巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明，軟巖巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線屬于流變曲線，主要監(jiān)測(cè)到流變變形的衰減變形階段和等速變形階段。煤巷回采耦合支護(hù)后頂?shù)装遄钕确€(wěn)定，大約需要10～20d，距離20307開采工作面大于50m，其后才是兩幫底板，大約需要20～25d左右。

(3)數(shù)值理論結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，頂?shù)资諗勘O(jiān)測(cè)變形比數(shù)值分析的結(jié)果較小，兩幫相對(duì)變形值較接近。這是因頂?shù)装迨諗克俾时容^快，能夠監(jiān)測(cè)到變形值不大于數(shù)值模擬變形值，兩幫相對(duì)收斂速率較慢，所以兩幫移近變形監(jiān)測(cè)值與模擬值近似。頂?shù)啄M值與監(jiān)測(cè)值相似率達(dá)到90.4%，兩幫相似率達(dá)到95%。由此可知，在受多次動(dòng)壓荷載作用下大跨度軟巖煤巷采用有限差分方法軟件Flac3D對(duì)錨網(wǎng)索帶注耦合支護(hù)方案和參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定適用性，真正實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖與支護(hù)體在強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)上的耦合，可為同類煤巷的支護(hù)提供借鑒和參考。

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