藺道資

(同煤集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組管理部軒煤分部，山西 大同 037003)

0 引言

同煤集團(tuán)某礦井設(shè)計產(chǎn)量為240萬t/a，由于礦井煤層最大埋深已經(jīng)超過900 m，屬于深井開采礦井煤礦，其主采的8號煤層為中厚穩(wěn)定型煤層，結(jié)構(gòu)較為簡單。煤層厚度約0.70～3.48 m，頂板主要為細(xì)粒砂巖、粉砂巖及泥巖，無裂隙發(fā)育，屬二類有周期來壓頂板；煤層底板為粉砂巖、泥巖，屬松軟-中硬巖石，巖石強(qiáng)度低，抗水、風(fēng)化以及抗凍性差，易軟化。傳統(tǒng)的棚式支護(hù)、低預(yù)應(yīng)力低強(qiáng)度錨桿支護(hù)以及被動支護(hù)方式已經(jīng)不適于深井軟巖巷道的支護(hù)需求，而選取高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度高剛度錨桿錨索等主動型聯(lián)合支護(hù)方式控制巷道高應(yīng)力變形狀況，則需要考慮巷道周圍地質(zhì)、圍巖應(yīng)力等狀態(tài)[1-3]；科學(xué)選擇關(guān)于支護(hù)過程中錨桿、錨索的長度、直徑、用量和排距等參數(shù)，對解決深部復(fù)雜軟巖巷道的支護(hù)十分重要[4-6]。

1 巷道地質(zhì)力學(xué)測試

1.1 巷道地應(yīng)力及圍巖強(qiáng)度

觀測站設(shè)置：為確定深部巷道的圍巖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及地應(yīng)力狀況，集中在垂深超出900 m井底車場的附近設(shè)置3個觀測站。第1測站位于+295水平西翼回風(fēng)石門臨時變電所處，第2測站位于+280水平充電硐室，第3測站位于+280 m水平西翼軌道石門。

圍巖結(jié)構(gòu)觀測：對巷道頂板上方20 m范圍內(nèi)的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。測點頂板上部普遍存在離層和裂隙現(xiàn)象，破壞在淺部更為明顯，同時深部也普通存在軟弱夾層和裂隙，說明巖體自身承載能力弱[7-10]，錨桿支護(hù)體系內(nèi)地質(zhì)力學(xué)條件低，錨固沒能確保范圍內(nèi)的巖體完整性。

地應(yīng)力測量：地應(yīng)力的測量通過水壓致裂法完成，設(shè)備采用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量儀，能夠?qū)崟r采集壓裂過程中的壓力和時間，并能夠得到水力壓裂曲線。3個測點中最大水平主應(yīng)力最大值為23.36 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值11.51 MPa，垂直應(yīng)力最大值為23.25 MPa，應(yīng)力場屬高應(yīng)力值區(qū)域，而最大水平主應(yīng)力方向分別為N51.9°E、N35.9°E和N34.7°E。地應(yīng)力的垂直應(yīng)力主要作用于巷道兩幫，而水平主應(yīng)力主要作用于巷道底板，并且最大水平主應(yīng)力與巷道軸線所形成的夾角會隨角度增加而影響巷道的變形破壞狀態(tài)。

圍巖強(qiáng)度：針對測站附近區(qū)域的頂板和兩幫圍巖進(jìn)行強(qiáng)度測試，整體表現(xiàn)為巖層強(qiáng)度中等偏低，結(jié)合圍巖狀態(tài)分析，巖體中普遍存在裂隙和夾層。同時，匯總厚度圍巖強(qiáng)度測試曲線中頂板淺部巖層強(qiáng)度會明顯小于鉆孔深部巖層強(qiáng)度，并且兩幫在2 m的淺層范圍存在塑性變形。

1.2 巖石成分分析

通過X射線衍射分析法對所采巖樣進(jìn)行測試得出，詳細(xì)比例見表1?？梢?，巷道頂?shù)装鍘r樣以粘土礦物為主，砂質(zhì)泥巖所占比例最高可達(dá)77.4%，而粘土礦物中主要為伊蒙混層，其次為伊利石、綠泥石及高嶺石；而非粘土成分最多的石英最高占非粘土物質(zhì)的54.6%，其余為少量鉀長石、斜長石方解石、白云石和赤鐵礦。值得注意的是，粘土材料中綠泥石和蒙脫石具有遇水強(qiáng)膨脹性，當(dāng)所占比例超出8%時導(dǎo)致圍巖具有較強(qiáng)的膨脹性。

表1 巖樣粘土主要礦物成分

2 數(shù)值模擬分析

2.1 圍巖應(yīng)力分布與變形規(guī)律模擬

通過FLAC3D有限差分分析軟件不同支護(hù)條件對巷道圍巖應(yīng)力分布和變形進(jìn)行分析研究。分析過程中為避免圍巖應(yīng)力過大影響模擬條件下錨桿、錨索支護(hù)的應(yīng)力場效果，采用零原巖應(yīng)力場條件對各類支護(hù)狀況進(jìn)行數(shù)值分析[11-13]。具體為，錨桿不同預(yù)緊力(10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN、80 kN)應(yīng)力分布與變形情況，模擬結(jié)果見圖1；不同錨桿直徑(φ18 mm、φ20 mm、φ22 mm)、長度(1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm、2 400 mm)對支護(hù)效果影響；錨索根數(shù)(1、2、3根)、長短(4 m、6 m、9 m)對支護(hù)效果的影響；排距對支護(hù)效果影響(600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm)。

圖1 錨桿預(yù)應(yīng)力大小與圍巖內(nèi)部壓應(yīng)力變化關(guān)系曲線

2.2 模擬結(jié)果分析

錨桿預(yù)應(yīng)力：當(dāng)預(yù)應(yīng)力只有10 kN時，幫部錨桿預(yù)應(yīng)力能夠擴(kuò)散至錨桿全長范圍，而頂板錨桿的主要影響范圍集中在錨固段和錨桿尾部。預(yù)應(yīng)力自20 kN增長至50 kN過程，壓應(yīng)力能夠擴(kuò)散到整個全長，擴(kuò)散寬度也呈現(xiàn)線性增長。預(yù)應(yīng)力繼續(xù)增加后，巖體內(nèi)部壓應(yīng)力無顯著增長，頂板兩錨桿間的巖體內(nèi)壓應(yīng)力增長降緩。

錨桿直徑：錨桿的直徑增加對錨桿的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍只有小幅度提升，但直徑的增長提高了錨桿自身力學(xué)性能，承受巷道大載荷變形的能力增強(qiáng)。

錨桿長度：錨桿長度會影響到垂直方向上預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍，同時水平范圍內(nèi)有小幅增長，同時模擬結(jié)果表明錨桿長度>2.2 m后，錨桿間的預(yù)應(yīng)力在巷道圍巖內(nèi)能起到良好疊加效果。

錨索根數(shù)：在穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力下，單根錨索會形成橢圓形的壓應(yīng)力分布區(qū)域；每排存在2個錨索后會在頂板上部2～2.5 m出現(xiàn)少部分應(yīng)力疊加區(qū)域；每排錨索數(shù)量為3根時，彼此間壓應(yīng)力區(qū)相互靠近疊加，最終形成扇形的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時預(yù)應(yīng)力可擴(kuò)散至大部分錨固范圍內(nèi)。

錨索長度：錨索長度會影響垂直方向的有效壓應(yīng)力區(qū)，以及主動支護(hù)范圍，但對寬度方向無明顯影響，甚至出現(xiàn)減小趨勢，而且錨索中部及以上區(qū)域的壓應(yīng)力也會隨長度增長而減弱，相鄰錨索間中部圍巖壓應(yīng)力也會減小。即相同預(yù)應(yīng)力情況下錨索長度應(yīng)根據(jù)頂板巖層特點，不宜過長，根據(jù)現(xiàn)場特點，錨索長度宜為4.3 m。

錨索排距：錨索有效壓應(yīng)力區(qū)正常情況下相對孤立的，隨錨索排距縮小，相鄰錨索間的壓應(yīng)力區(qū)靠近、疊加，最終與巷道軸線方向一致，但該增加會隨間距縮小到一定程度而不再出現(xiàn)明顯變化。

3 支護(hù)方案及效果

14505工作面軌道巷在巷道掘進(jìn)完成后，采用高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度高剛度錨桿錨索聯(lián)合的方式進(jìn)行巷道支護(hù)工作。

3.1 支護(hù)方案

頂板支護(hù)：垂直巷道頂板方向施工30 mm的錨桿鉆孔，間距800 mm，錨桿排距選擇為900 mm，錨桿采用22#左旋無縱筋400號螺紋鋼筋，桿長度2.4 m，尾部螺紋型號M24長度為150 mm。托板選取150 mm×150 mm×10 mm的拱型高強(qiáng)度托盤，護(hù)板為450 mm×280 mm×5 mm的W型鋼護(hù)板，并選取網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm的φ6 mm鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂，錨桿的預(yù)緊扭矩應(yīng)大于400 N·m。沿頂板每兩排錨桿間的中間位置安設(shè)錨索，間距分別為600 mm和2 400 mm，排距1 800 mm，錨索φ22 mm 1×19股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長4.3 m，錨固長度1 771 mm，并選取300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板，錨索預(yù)緊力應(yīng)不小于250 kN。

巷幫支護(hù)：巷道兩幫支護(hù)同樣適用高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度高剛度錨桿錨索進(jìn)行支護(hù)，錨桿、錨索以及相關(guān)配件選取與頂板支護(hù)相同的規(guī)格。錨桿間排距為900 mm，間距800 mm，每排每幫2根錨桿，錨桿預(yù)緊扭矩也應(yīng)大于400 N·m。錨索沿水倉底板布置，排距1 800 mm，間距2 000 mm，每排2根錨索，預(yù)緊力不小于250 kN。

底板支護(hù)：底板完全采用錨索進(jìn)行全長預(yù)應(yīng)力錨固方式進(jìn)行，施長度5 000±50 mm的徑φ56 mm垂直鉆孔，并將錨索前端1 200 mm使用水泥澆筑固化后施加預(yù)緊力，再澆筑全長，預(yù)緊力為200 kN。錨索選取同規(guī)格錨索，長度調(diào)整為5.3 m，每排布置2根錨索，間距2 000 mm，排距1 800 mm，均勻分布于水倉底板。最后通過300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度拱形可調(diào)心托板以及100 mm×100 mm的φ6 mm鋼筋網(wǎng)覆蓋底板。

3.2 效果分析

對14505工作面軌道巷進(jìn)行全面的頂?shù)装濉蓭偷奈灰票O(jiān)測，對比新舊2個支護(hù)方案的巷道變形狀況，從錨網(wǎng)索布置階段就開始進(jìn)行監(jiān)測，并將2個方案的頂、底、兩幫的移近量匯總，如圖2、3所示。原支護(hù)方案下巷道支護(hù)段巷道頂板變形下沉嚴(yán)重，兩幫也有嚴(yán)重的移近現(xiàn)象，表面有漿皮開裂，巷道支護(hù)強(qiáng)度也較低，后期底板也受到兩幫移近而失穩(wěn)。新支護(hù)方案下巷道整體變形量減少，兩幫的移動也在10 d后開始穩(wěn)定，兩幫最大移近量為160 mm，兩支護(hù)方案相比下，原支護(hù)方案的兩幫變形時間也超前于頂?shù)装澹C明了兩幫支護(hù)強(qiáng)度較低，最終導(dǎo)致頂?shù)装宓氖Х€(wěn)變形。

圖2 原支護(hù)方案巷道移近量

4 結(jié)論

(1)在井底車場附近設(shè)置3個測試站并通過水力致裂法測得四煤礦高應(yīng)力深井軟巖巷道圍巖最大水平主應(yīng)力最大值23.36 MPa，最小值22.79 MPa；最小水平主應(yīng)力最大值13.48 MPa，最小值11.51 MPa；垂直應(yīng)力最大值23.36 MPa，最小值22.94。3個測點的最大水平主應(yīng)力方向分別為N51.9°E、N35.9°E和N34.7°E，表現(xiàn)為最大水平主應(yīng)力方向呈一致性。

圖3 新支護(hù)方案巷道移近量

(2)通過X射線衍射分析法測得巷道頂?shù)装鍘r樣以粘土礦物為主，其中砂質(zhì)泥巖中粘土礦物含量最高，其值為77.4%，最小值為5.8%。頂?shù)装鍑鷰r存在遇水軟化和膨脹性。

(3)通過數(shù)值模擬分析法對不同支護(hù)條件對深部高應(yīng)力的巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析，確定支護(hù)方案中各最佳參數(shù)的選取，確保支護(hù)對巷道良好支護(hù)預(yù)緊力和擴(kuò)散作用。

(4)對試驗巷道進(jìn)行變形移近量監(jiān)測表明，新支護(hù)方案下兩幫移近變形呈穩(wěn)定狀態(tài)的時間提前，明顯改善了巷道頂?shù)装遄冃螤顩r，起到良好的支護(hù)效果。