李 杰

(山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600)

近幾年煤礦開采的深度逐漸加大，巷道圍巖所處的地質(zhì)環(huán)境也隨其埋深的加大發(fā)生了根本變化，多數(shù)巷道表現(xiàn)出非線性大變形特性，圍巖大多處于峰后階段，巖體裂隙發(fā)育，承載性能較低。目前國內(nèi)外專家學者對深部大變形巷道的相關(guān)問題進行了很多研究[1-6]。由于礦井地質(zhì)條件的多變性，使得巷道圍巖維護狀況難以令人滿意，對于深部圍巖峰值強度后巷道失穩(wěn)全過程的巷道圍巖-支護相互作用規(guī)律的研究不足，深部峰后圍巖大變形巷道的穩(wěn)定性控制需做深入的研究。山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2號煤層埋深較大，頂板以泥巖為主，底板為砂質(zhì)泥巖，井田地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，以簡單開闊的褶皺伴有較密集的大、中型斷層為主，巷道圍巖呈松散狀支護情況不佳。本文以此為工程背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對深部峰后巷道圍巖的破壞特征及穩(wěn)定性控制進行研究分析。

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2號煤層平均厚度3.75 m，平均傾角9°，工作面地面標高+517～+602 m，井下煤層底板標高為+102～+172 m，工作面采用一次采全高走向長壁后退式綜合機械化采煤法。

2號煤層回風大巷的斷面尺寸為5 m×4 m，全斷面采用高預緊力鋼絞線錨索與錨網(wǎng)噴組合而成的支護；錨桿采用D18 mm×1 700 mm的左旋螺紋鋼，間排距為800 mm×800 mm，預緊力大小為30 kN，球型托盤尺寸為150 mm×150 mm×10 mm；錨索采用D17.8 mm×6 500 mm的1×7股鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 600 mm，預緊力大小為120 kN；底板澆筑厚度為100 mm的混凝土封層。巷道原支護布置如圖1所示。

圖1 巷道原支護布置(mm)

在大巷掘進約40 m時，采用CHK(2.7B)礦用鉆孔成像儀對巷道圍巖進行了窺視。根據(jù)窺視結(jié)果可知，巷道圍巖分區(qū)破裂現(xiàn)象十分明顯。在淺部0～1.5 m范圍內(nèi)圍巖破碎嚴重，1.5～4.5 m范圍巖層內(nèi)裂隙較為發(fā)育，4.5～6 m范圍內(nèi)偶有裂隙且呈不連續(xù)狀態(tài)，6 m之外圍巖基本呈完整狀態(tài)。

巷道圍巖發(fā)生失穩(wěn)破裂的主要原因是高地應力的存在，為確定巷道圍巖所處的原巖應力屬性，采用水壓致裂法進行了測試。經(jīng)測試，回風大巷所處地層地應力處于高位，最大主應力為水平應力，應力方向為NE73～85°，地應力對巷道圍巖變形失穩(wěn)有顯著影響，所以有必要采取有效的支護措施控制巷道圍巖的變形失穩(wěn)。

2 優(yōu)化支護方案

密度大、強度高的錨桿可以將淺部碎裂的巖體擠壓形成錨固體，可發(fā)揮出類似“組合梁”的承載作用，從而提高淺部圍巖的承載能力；同時采用錨索使其懸吊于深部巖層中，在錨索錨固圍巖體的范圍內(nèi)，其形成了類似“承載拱”的結(jié)構(gòu)。淺部“梁”和深部“拱”二者相互作用，組成巷道圍巖承載的主體結(jié)構(gòu)，確保巷道圍巖的穩(wěn)定性。

深-淺耦合全斷面錨噴網(wǎng)注支護技術(shù)，可以在巷道圍巖中構(gòu)建剛?cè)帷半p殼”封閉式承載體系，各支護形式在時間上以及空間上相結(jié)合，使得支護體系和巷道圍巖在剛度、強度以及結(jié)構(gòu)上共同發(fā)揮作用，同時發(fā)揮出巷道圍巖的自承載能力，確保巷道圍巖的長期穩(wěn)定性。其中，錨桿支護、分區(qū)注漿加固及鋼筋噴層護表分別是承載結(jié)構(gòu)的主體和輔助措施。

優(yōu)化支護技術(shù)如圖2所示，內(nèi)層錨桿和外層錨桿交錯布置，其間排距分別為：600 mm×600 mm、600 mm×800 mm；總的注漿層厚度和淺部注漿層厚度分別為6.5 m、2.4 m，混凝土的噴層厚度為240 mm，三者之間共同發(fā)揮作用，增強巷道圍巖的自承載能力，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)實驗所測得相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對兩種方案下的巷道圍巖穩(wěn)定性進行對比研究分析。

圖2 優(yōu)化支護技術(shù)

所建三維模型尺寸為40 m×30 m×40 m，共劃分為65 000個單元，73 280個節(jié)點；模型的上表面與左右界面均為應力邊界條件，上表面施加大小為16 MPa的載荷，左右邊界施加大小為21 MPa的載荷，模型底面和前后兩個面設(shè)定為固定位移約束。鋼帶、錨桿、混凝土噴層分別使用Beam、Cable、Shell結(jié)構(gòu)單元。模擬所用各巖層物理力學參數(shù)見表1。

表1 各巖層物理力學參數(shù)

3.2模擬結(jié)果

原支護方案與優(yōu)化支護方案下巷道圍巖的豎向位移分布云圖如圖3所示。由此可以看出，在原支護方案下，巷道頂板一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的沉降，最大沉降值約為28 mm，位于巷道頂板的中央位置；在巷道的底板位置發(fā)生隆起變形，且有增大的趨勢；采用優(yōu)化支護方案后，巷道頂板最大沉降值仍位于巷道頂板的中央位置，但最大沉降值變?yōu)榧s11 mm，減小了約60.7%，同時巷道底板隆起的位移值以及其影響范圍都明顯減小，這說明采用優(yōu)化支護方案可以促進巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖3 巷道垂直位移分布云圖

兩種支護方案下圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出，采用優(yōu)化支護方案后，頂板、幫部、底板塑性區(qū)范圍分別減小了約57.1%、54%、52.5%。

圖4 巷道塑性區(qū)分布

4 現(xiàn)場監(jiān)測

采用優(yōu)化支護方案后，對巷道圍巖表面位移進行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，巷道圍巖穩(wěn)定后，其收斂速率逐漸降低為1.2 mm/d，頂板、兩幫位移最大值分別為60 mm、34 mm，其總體變形量不大。同時巷道的噴層結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)生開裂等破壞，巷道圍巖變形得到了十分有效的控制。

圖5 巷道圍巖變形量曲線

5 結(jié) 語

1) 建立深-淺耦合全斷面錨噴網(wǎng)注支護體系，并通過數(shù)值模擬證明了采用優(yōu)化支護方案后可對圍巖穩(wěn)定性起到積極的作用。

2) 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，巷道圍巖變形量較小，巷道支護結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生開裂破壞等現(xiàn)象，巷道圍巖的變形得到了有效控制，進一步驗證了優(yōu)化支護方案的可行性。