楊 勇

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉046000）

近年來，隨著采深的逐漸增加，軟巖巷道難支護(hù)的問題嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)[1-3]。基于此，廣大學(xué)者提出了大量的軟巖巷道支護(hù)理論[4-8]，并分析了巷道大變形的破壞特征及原因[9-11]。為解決現(xiàn)場的支護(hù)難題，鋼管混凝土支架被引入到煤礦巷道的支護(hù)中，在鋼管混凝土支架方面學(xué)者們進(jìn)行了大量研究[12-20]。雖然學(xué)者們針對巷道的大變形問題作了大量研究，但是由于礦井的地質(zhì)條件差異性較大，故使用工程類比法的支護(hù)方案不能夠控制巷道圍巖的大變形。基于此，以新元礦冀家垴風(fēng)井車場巷道為背景，研究分析了風(fēng)井車場巷道的圍巖條件，并分析了其破壞原因。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果，提出了以鋼管混凝土支架為核心的優(yōu)化支護(hù)方案，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)證明了該支護(hù)方案的合理性。

1 工程概況

冀家垴進(jìn)風(fēng)立井埋深528.9 m，井筒以北是東西采區(qū)的集中大巷，以西是南區(qū)集中大巷，以東是3101 工作面，已回采完畢多年，風(fēng)井車場巷道附近無明顯地質(zhì)構(gòu)造。

1.1 圍巖概況

風(fēng)井車場巷道位于3#煤層中，埋深506 m，頂?shù)装鍨楹谏鄮r，具體各巖層地質(zhì)情況如圖1。

圖1 冀家垴風(fēng)井車場巷道地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Geological histogram of Jijianao ventilation shaft roadway

為更好地了解巷道圍巖性質(zhì)，對其作了單三軸力學(xué)測試，以及礦物成分分析和耐崩解試驗(yàn)，風(fēng)井車場巷道圍巖力學(xué)參數(shù)見表1，風(fēng)井車場巷道礦物成分分析見表2，風(fēng)井車場巷道圍巖耐崩解率試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表2 可知，黏土礦物在煤、泥巖、細(xì)砂巖中的含量分別為43%、52%、19%，如此可觀的黏土含量在一定程度上加劇了圍巖的遇水膨脹和變形失穩(wěn)。由表3 可知，泥巖的耐崩解性極差，煤的耐崩解性其次，細(xì)砂巖的耐崩解性最好。當(dāng)巷道頂板或底板以泥巖為主時，水力作用使泥巖崩解、碎脹、開裂，強(qiáng)度降低，造成嚴(yán)重的頂板開裂下沉和嚴(yán)重底鼓。

1.2 支護(hù)概況

冀家垴風(fēng)井車場巷道原始斷面為直墻半圓拱形，巷道掘進(jìn)寬度5 500 mm × 4 250 mm。原有支護(hù)形式采用29U 型棚，棚距500 mm。沿著巷道環(huán)向用優(yōu)質(zhì)木料進(jìn)行支撐，規(guī)格為80 mm×80 mm× 500 mm。錨索規(guī)格為φ17.8 mm× L6 300 mm，排距為800 mm。風(fēng)井車場巷道原始支護(hù)概況如圖2。

表1 風(fēng)井車場巷道圍巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of the ventilation shaftroadway surrounding rock

表2 風(fēng)井車場巷道礦物成分分析Table 2 Analysis of the mineral composition of the ventilation shaft roadway

表3 風(fēng)井車場巷道圍巖耐崩解率試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of disintegration resistance

圖2 風(fēng)井車場巷道原支護(hù)方式概況圖Fig.2 An overview of the original support methods of the ventilation shaft roadway

2 風(fēng)井車場巷道變形破壞分析

經(jīng)過多次現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，原29U 型棚棚腿、棚梁嚴(yán)重扭曲變形，頂幫下沉壓住各種管路，巷道變形嚴(yán)重。頂板最大變形量達(dá)到1 100 mm，兩幫最大收斂量達(dá)到700 mm，原支護(hù)方式變形示意圖如圖3。經(jīng)實(shí)測，斷面收縮率為25%～29%。巷道頂板和側(cè)幫凸凹不平，圍巖破壞，導(dǎo)致整個支護(hù)體系失效。

圖3 原支護(hù)方式變形示意圖Fig.3 Deformation diagram of the original support scheme

結(jié)合對巷道圍巖強(qiáng)度成分分析及現(xiàn)場情況，分析得到風(fēng)井車場巷道變形原因有以下幾點(diǎn)。

1）巷道圍巖巖性較差。風(fēng)井車場巷道位于3#煤層中，兩幫為煤，頂?shù)装鍨楹谏鄮r。而經(jīng)過對圍巖進(jìn)行分析后可知，煤和泥巖的強(qiáng)度較低，且黏土礦物含量高，耐崩解性差，這就使得巷道圍巖吸水后極易膨脹軟化，導(dǎo)致大變形。

2）頻繁的動力擾動。風(fēng)井車場巷道周圍井筒以北是東西采區(qū)的集中大巷，以西是南區(qū)集中大巷，以東是3101 工作面。這就使得風(fēng)井車場巷道經(jīng)歷了多次動力擾動，造成巖體極為破碎，最終導(dǎo)致了風(fēng)井車場巷道巖體強(qiáng)度的再次降低，增加了支護(hù)難度。

3）支護(hù)強(qiáng)度不足。風(fēng)井車場巷道埋深506 m，故垂直應(yīng)力約為12.56 MPa。結(jié)合巷道所受的頻繁動力擾動，使得巷道長期處于高應(yīng)力狀態(tài)。而U29 型鋼的支護(hù)阻力有限，這就導(dǎo)致了U 型鋼支架頂部彎折，側(cè)幫截?cái)唷?/p>

3 支護(hù)方案優(yōu)化

經(jīng)過前述分析可知，風(fēng)井車場巷道急需1 種高強(qiáng)度的支護(hù)方案。兩幫及頂板變形嚴(yán)重，再結(jié)合現(xiàn)場地形，將原直墻半圓拱斷面（5 600 mm×4 200 mm）優(yōu)化為斜墻半圓拱（6 200 mm × 5 800 mm），優(yōu)化后的支護(hù)方案示意圖如圖4。為解決空頂問題，巷道頂板使用填充體進(jìn)行填充。巷道斷面噴射混凝土（厚100 mm，C20）后，進(jìn)行錨桿（φ20 mm×2 000 mm）打設(shè)。最后安裝鋼管混凝土支架（φ194 × 10 mm），其由頂弧段、左幫段和右?guī)投谓M成，安裝完成后向其內(nèi)部注入混凝土（C40）。

圖4 優(yōu)化支護(hù)方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of optimized support scheme

4 數(shù)值對比分析

為驗(yàn)證優(yōu)化支護(hù)方案的合理性，運(yùn)用FLAC3D對比分析了原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)方案下的巷道變形、應(yīng)力、塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律。模型大小為長×寬×高=50 m×40 m×30.5 m，由83 680 個單元組成。模型前后左右均采用法向位移約束，底部為固定邊界，頂部施加12.56 MPa（埋深506 m）的豎直應(yīng)力。所有巖層均采用Mohr-Coulomb 模型。原支護(hù)方案與優(yōu)化支護(hù)方案數(shù)值模擬結(jié)果如圖5～圖7。

由圖5 中的塑性區(qū)分布圖可知，在原支護(hù)方案下巷道圍巖破壞范圍較大，且基本都處于剪切破壞狀態(tài)；優(yōu)化支護(hù)方案則使得巷道圍巖的破壞范圍急劇縮小，更好地保護(hù)了巷道。由圖6 可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力水平在20～40 MPa，底板應(yīng)力水平較低，U型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)較大側(cè)向應(yīng)力，底部四排錨桿拉力較大，頂部錨桿拉力值最大，拱肩4 組錨桿（圖中編號1#～4#）拉力相對較低。4 組錨桿分擔(dān)頂部荷載、但錨固效果不明顯；在鋼管混凝土支架支護(hù)下，拱頂荷載通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)布置迅速傳遞至側(cè)墻，排架承受側(cè)向應(yīng)力大，鋼管混凝土排架與側(cè)向六組錨桿聯(lián)合受力，有效緩解了頂部荷載過大的問題。圖6（e）和圖6（f）表明，原支護(hù)方案下巷道圍巖內(nèi)部的剪應(yīng)力分布范圍較大，而優(yōu)化支護(hù)方案很好地解決了這一問題，剪應(yīng)力分布范圍明顯減小。由圖7 可知，在原支護(hù)方案下，巷道頂板下沉量為780～787 mm，兩幫收斂量為1 000～1 120 mm，底鼓量較大；優(yōu)化支護(hù)方案則控制巷道圍巖較好，頂板、兩幫及底板變形量均不足100 mm。

圖5 原支護(hù)方案與優(yōu)化支護(hù)方案塑性區(qū)對比Fig.5 Plastic zone comparison of the original support scheme and the optimized support scheme

圖6 原支護(hù)方案與優(yōu)化支護(hù)方案應(yīng)力對比Fig.6 Stress comparison of the original support scheme and the optimized support scheme

5 現(xiàn)場應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化支護(hù)方案，進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)。錨桿打設(shè)完成后安裝鋼管混凝土支架，首先分別安裝鋼管混凝土支架的左幫段和右?guī)投危缓蟀惭b2 個套管，最后安裝頂弧段，鋼管混凝土支架安裝圖如圖8。

圖7 原支護(hù)方案與優(yōu)化支護(hù)方案位移對比Fig.7 Displacement comparison of the original support scheme and the optimized support scheme

圖8 鋼管混凝土支架安裝圖Fig.8 Installation of concrete-filled steel tube support

整個鋼管混凝土支架安裝完畢后，從注漿口注入C40 混凝土。整個支護(hù)完成后，設(shè)置2 個測站（1#測站和2#測站）監(jiān)測巷道變形。巷道變形在支護(hù)2個月后處于穩(wěn)定，頂板變形量穩(wěn)定在45～55 mm，兩幫變形穩(wěn)定在25～35 mm，這表明優(yōu)化支護(hù)方案控制巷道圍巖較好，保證了巷道的正常使用。

6 結(jié) 語

1）冀家垴風(fēng)井車場巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)差、黏土礦物含量高、耐崩解性差，極容易吸水膨脹，從而誘發(fā)了風(fēng)井車場巷道的大變形。

2）現(xiàn)場實(shí)測表明，在原U29 型鋼支護(hù)下，風(fēng)井車場巷道頂板最大下沉量達(dá)1 100 mm，兩幫收斂量達(dá)700 mm，且底鼓嚴(yán)重，斷面收縮率為25%～29%。

3）經(jīng)過數(shù)值對比分析可知，在鋼管混凝土支架進(jìn)行支護(hù)后，巷道圍巖應(yīng)力集中程度有所降低，且破壞范圍大大減小。

4）現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)表明，以鋼管混凝土支架為核心的優(yōu)化支護(hù)方案能夠控制巷道圍巖較好，巷道變形在支護(hù)2 個月后處于穩(wěn)定階段，且頂板下沉量為45～55 mm，兩幫變形量為25～35 mm。