任凱鵬

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦，山西 霍州 031400）

1 引言

團(tuán)柏礦工作面所處位置的周邊是大規(guī)模的破碎圍巖，回風(fēng)巷因受到周邊采動(dòng)作業(yè)的影響，應(yīng)力場(chǎng)作用在圍巖破損區(qū)域上，導(dǎo)致巷道整體出現(xiàn)了大規(guī)模的變形與破壞情況，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用和安全。本文以探尋該巷道的破壞機(jī)制為基礎(chǔ)，結(jié)合UDEC仿真模擬，提出基于“錨棚網(wǎng)噴”的耦合支護(hù)策略。

2 工程概況

團(tuán)柏井田所在位置為朔縣向斜東翼偏東南區(qū)域，表現(xiàn)為一種向西側(cè)傾斜的波動(dòng)狀態(tài)。自北向南，整個(gè)井田內(nèi)地層的走勢(shì)出現(xiàn)了極大的變化，以34線為界進(jìn)行劃分，該線以北區(qū)域地層的整體走向?yàn)橛赡现帘?，而且該區(qū)域地層未出現(xiàn)較大傾斜，整體傾角保持在5°～6°之間，表現(xiàn)為次級(jí)背向斜的形態(tài)，整體起伏非常小且相當(dāng)廣闊，該界限以南，地層的走向主要有NNE與NNW兩種方向的傾斜，到了37線的南部，地層走向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西方向，而且由南至北傾角最大的區(qū)域甚至超過了30°。

3 破碎圍巖動(dòng)壓巷道失穩(wěn)機(jī)制及控制對(duì)策

UDEC程序當(dāng)前多應(yīng)用在隧洞、邊坡以及采礦等相關(guān)的工程領(lǐng)域，該軟件可以對(duì)巖體存在的非連續(xù)性特征進(jìn)行表示，還能對(duì)巖塊滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及墜落等劇烈變形進(jìn)行模擬。本文在UDEC軟件輔助下，對(duì)該礦的進(jìn)風(fēng)巷處出現(xiàn)的劇烈變形失穩(wěn)機(jī)制展開全面、系統(tǒng)研究。

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

下圖1為綜合該巷道的現(xiàn)有支護(hù)與真實(shí)地質(zhì)狀況而確立的針對(duì)性數(shù)值計(jì)算模型。

此模型的幾何尺寸為：長(zhǎng)60m，厚度50m，其中該模型對(duì)巖層的具體厚度均做了簡(jiǎn)化處理，處理后直接頂、基本頂以及煤層的厚度分別為5.0m、18.4m與5.6m，另外基本底與直接底進(jìn)行了合并，合并后兩者共厚21m。實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巷道的橫斷面具有兩種主要的節(jié)理，傾角分別為5°與85°，在實(shí)際分析時(shí)，為了操作方便，特將兩個(gè)傾角近似為0°與90°?，F(xiàn)取直接頂節(jié)理的水平與垂直兩間距分別為0.4與0.8m；煤層節(jié)理的兩間距分別為0.2與0.4m；其他巖層節(jié)理對(duì)應(yīng)的兩個(gè)間距值為1.0與2.0m。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以確定該礦此處的巖體材料以及其節(jié)理面的接觸分別滿足Mohr-Coulomb與Coulomb兩項(xiàng)準(zhǔn)則。左右側(cè)面與底部的邊界分別在水平和垂直兩個(gè)方向固定，頂部是應(yīng)力邊界，此為該模型的相關(guān)邊界條件。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況測(cè)試、計(jì)算，限定計(jì)算時(shí)垂直與水平應(yīng)力分別取14.31MPa與13.1MPa，同時(shí)側(cè)壓系數(shù)的均值需要保持在0.9。

表1 煤巖體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

下圖2所示為當(dāng)前支護(hù)狀態(tài)下，圍巖的變形及塑性區(qū)的具體分布情況。

圖2 巷道圍巖變形及塑性區(qū)分布

根據(jù)上圖可以發(fā)現(xiàn)，確立好巷道支護(hù)問題后，巖塊的滑移問題首先出現(xiàn)在兩幫與底板部分，并形成一個(gè)主要為張拉破壞的塑性區(qū)域，該區(qū)域最先出現(xiàn)在底板的中部區(qū)域，但是因?yàn)楹笃跊]有充分地考慮到控制底板問題，所以在幫部區(qū)域的擠壓下，整個(gè)底板的變形迅速提升，隨著張拉破壞的增加，該破壞開始在整個(gè)底板中得以體現(xiàn)，同時(shí)向著底板下部轉(zhuǎn)移，其中塑性區(qū)的深度最大處已經(jīng)達(dá)到了4m，底鼓量更是高達(dá)1004mm。巷道兩側(cè)的底角處以剪應(yīng)力破壞為主出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，該區(qū)域處于高速擴(kuò)張狀態(tài)，而且寬度最大時(shí)達(dá)到了17.8m；煤幫處的支護(hù)只用了4根錨桿，這種方式根本無(wú)法從整體上提供支護(hù)作用，從而出現(xiàn)了較大的變形，最大形變量高達(dá)2157mm；煤幫處剪應(yīng)力的集中區(qū)域表現(xiàn)有極大的層面效應(yīng)，而且多集中出現(xiàn)在煤層。生產(chǎn)活動(dòng)中，上述提到的剪切與張拉破壞區(qū)域是穩(wěn)定性最差的部分，需要進(jìn)行格外的加固和關(guān)注。臨空面的上方是頂板的主要破壞區(qū)域，其他部分未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。統(tǒng)計(jì)顯示，頂板下沉最大時(shí)達(dá)到了453mm，頂板處的塑性區(qū)域高度最高時(shí)達(dá)到了8.5m。根據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，此巷道內(nèi)圍巖的變形和破壞均是逐漸發(fā)展的，關(guān)鍵區(qū)域一旦受到破壞，隨著工作的進(jìn)行會(huì)影響其他區(qū)域的穩(wěn)定性，圍巖的塑性部分越來(lái)越深入，剪切破壞區(qū)域越來(lái)越大，圍巖的變形量也隨之提升。所以想要確保巷道始終保持穩(wěn)定，一定要針對(duì)關(guān)鍵部分及時(shí)做出科學(xué)、合理的加固方案。

3.3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)該巷道嚴(yán)重應(yīng)變、破壞失穩(wěn)機(jī)制的探索，通過分析制定針對(duì)性的控制辦法：巷道頂?shù)装宓钠茐呐c變形會(huì)受到兩幫的嚴(yán)重影響，支護(hù)工作最重要的就是強(qiáng)化兩幫處的加固力度，提升其穩(wěn)定性與整體性，主要操作為利用走向錨索梁實(shí)現(xiàn)整體控制，將兩幫的剪切與張拉破壞控制到最??；利用底角錨桿與幫角錨梁配合抵抗底板處的形變，降低底板中部出現(xiàn)的張拉破壞與底角處的剪應(yīng)力集中；利用走向錨索梁抵抗頂板受到的張拉破壞減小其形變；最后對(duì)碎裂區(qū)域進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)令其同錨索(桿)相配合，共同構(gòu)成一種聯(lián)合支護(hù)，為巷道的安全、穩(wěn)定提供保證。

（1）頂板支護(hù)

錨桿參數(shù)：桿體的長(zhǎng)度與直徑分別為2.5m與22mm，材質(zhì)為500號(hào)無(wú)縱筋的左旋向螺紋鋼，并且其上螺紋長(zhǎng)150mm，提供配套螺母。

錨固方式：利用樹脂加長(zhǎng)式錨固辦法，所用錨固劑型號(hào)為Z2360，每根錨桿配套使用兩支。此外錨固整體長(zhǎng)1200mm，配套孔徑30mm。

托盤參數(shù)：采用150mm見方、10mm厚的拱型高強(qiáng)度托盤，同時(shí)配備調(diào)心球墊。

錨桿角度：圍繞巷道輪廓垂直安置。

護(hù)板規(guī)格：鋼制W型護(hù)板，長(zhǎng)、寬、厚分別為450mm、280mm與5mm。

網(wǎng)片規(guī)格：本文將塑料網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)進(jìn)行了配合使用，兩網(wǎng)的規(guī)格參數(shù)相同，均長(zhǎng)3000mm，寬800m，網(wǎng)孔為40mm見方。

錨桿布置：錨桿的間距與排距均保持800mm。

錨桿預(yù)緊扭矩：預(yù)緊時(shí)，扭矩至少要達(dá)到400N·m。

錨索參數(shù)：所用錨索的直徑為21.8mm，長(zhǎng)度為9.0m，由19股鋼線絞制而成，主要特點(diǎn)為松弛預(yù)應(yīng)力低且強(qiáng)度高。錨固時(shí)配套使用Z2360與K2335藥卷各兩支，注意保持2416mm的錨固長(zhǎng)度。

錨索布置：安置錨索時(shí)，每排按照1、2、1的交錯(cuò)方式進(jìn)行布置，同時(shí)保持每排間隔800mm。錨索安裝于兩排錨桿中間的頂板處，且巷道的輪廓線保持為垂直狀態(tài)。配套使用高強(qiáng)度、帶有調(diào)心球墊、厚16mm、300mm見方的拱型托板。保持錨索張拉的預(yù)緊力處于200～250kN范圍內(nèi)。

（2）巷幫的支護(hù)

錨桿參數(shù)：桿體的長(zhǎng)度與直徑分別為2.5m與22mm，材質(zhì)為500號(hào)無(wú)縱筋的左旋向螺紋鋼，并且其上螺紋長(zhǎng)150mm，提供配套螺母。

錨固方式：利用樹脂加長(zhǎng)式錨固辦法，所用錨固劑型號(hào)為Z2360，每根錨桿配套使用兩支。此外錨固整體長(zhǎng)1200mm，配套孔徑30mm。

托盤參數(shù)：采用150mm見方、10mm厚的拱型高強(qiáng)度托盤，同時(shí)配備調(diào)心球墊。

錨桿角度：與巷幫保持垂直。

護(hù)板規(guī)格：鋼制W型護(hù)板，長(zhǎng)、寬、厚分別為450mm、280mm與5mm。

網(wǎng)片規(guī)格：網(wǎng)片為金屬材質(zhì)，長(zhǎng)2000mm，寬800m，網(wǎng)孔為40mm見方。

錨桿布置：錨桿的間距與排距均保持800mm，每幫與每排均安置2根。

錨桿預(yù)緊扭矩：預(yù)緊時(shí)，扭矩至少要達(dá)到400N·m。

下圖3所示為該巷道的支護(hù)斷面狀態(tài)。

圖3 回采巷道錨桿支護(hù)布置（單位：mm）

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該礦井的回采巷道通過使用“錨棚網(wǎng)噴”的耦合支護(hù)方案，在大托板的作用下，頂板的破碎問題得到了極好的控制，保證了頂板的完整性，同時(shí)為防止頂板變形、下沉甚至出現(xiàn)斷裂冒落情況，特利用錨索進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)。2～4m處的頂板離層較大，4～6mm出現(xiàn)了一定的離層，6～8m區(qū)域離層未出現(xiàn)明顯變化，從整體來(lái)看頂板產(chǎn)生的最大位移僅為24mm，具體信息可見圖4(a)。根據(jù)圖中所示可以發(fā)現(xiàn)2～4m處的頂板控制是工作重點(diǎn)。巷道兩幫處的支護(hù)得到強(qiáng)化后，其頂板應(yīng)力會(huì)傳向底板的深處。進(jìn)行巷道收斂觀測(cè)耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，頂板中部以及高幫底部是兩個(gè)重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域，圖4(b)觀所示為觀測(cè)結(jié)果，整體收斂表現(xiàn)為階梯上升狀態(tài)，收斂值最高達(dá)到了79mm，面對(duì)該現(xiàn)象，需要對(duì)巷道的底角強(qiáng)化控制。通過使用高幫異形架可以有效控制變形量，低幫處使用“錨噴網(wǎng)”后穩(wěn)定性大大提升，配合坡煤頂處采取的管棚超前支護(hù)，軟煤體的冒落受到了極大抑制，異形架處于良好的受力狀態(tài)，具有極佳的穩(wěn)定性。

圖4 錨棚網(wǎng)噴應(yīng)用后的狀態(tài)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）巷道的變形與破壞并不是突然產(chǎn)生的，是由關(guān)鍵區(qū)域的破壞引起其他區(qū)域失穩(wěn)而最終造成的整體性破壞。

（2）幫部的穩(wěn)定與控制直接影響到整個(gè)巷道的穩(wěn)定情況，當(dāng)前所用的支護(hù)方式無(wú)法向該區(qū)域破碎的圍巖提供有效的支護(hù)，因此圍巖出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，此處為支護(hù)優(yōu)化、提升的重點(diǎn)區(qū)域。