雷衛(wèi)鋒

（陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

近年來，我國井工開采的煤礦不斷向埋深更深、地質賦存條件更復雜的深部開采。

隨著礦井開采深度的不斷延伸，巷道圍巖應力也在不斷地增加。巷道開挖過程中，低強度的圍巖因受到應力擾動而變得破碎，增加了巷道的支護難度[1]。目前，針對破碎圍巖巷道支護的相關研究較少，且不同礦區(qū)地下巖層特性差異較大，影響破碎圍巖支護方式選擇的因素較多[2-3]。為此，本文用數(shù)值模擬的方法，分析旺盛煤礦下工作面巷道不同圍巖支護方式的圍巖控制效果，旨在為破碎圍巖支護方式確定提供一定的參考。

1 工程背景

該礦區(qū)破碎圍巖巷道埋深為500 m 左右，經(jīng)地質勘探得到頂板上覆巖層中由上至下依次為砂巖、高嶺石化的碎裂巖、黃崗巖、糜棱巖和灰?guī)r。其中砂巖厚度為8 m，高嶺石化的碎裂巖厚度為10 m，花崗巖厚度為12 m，糜棱巖和灰?guī)r的厚度均為10 m。巷道形狀為半圓拱形，其尺寸為3 900 mm×3 600 mm，半圓拱部分的半徑R=2 700 mm。該礦區(qū)在開采前期采用了木支護、預制混凝土和槽鋼支護等被動支護方式，但未取得理想的支護效果，并且采用以上方式進行支護后，圍巖的變形量較大，出現(xiàn)支護失效的問題。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

考慮到該礦區(qū)內破碎圍巖的強度較低，本文采用FLAC3D軟件分別分析了錨桿支護、錨噴支護和錨噴網(wǎng)和錨索耦合支護三種方式下的圍巖控制效果。模型尺寸為50 m×30 m×50 m，邊界條件設置為上部載荷P=γH=0.028×500=14 MPa，左右采用Y 方向位移約束,前后采用X 方向位移約束，底部采用固定約束的方式。模型中所采用的巷道圍巖的物理力學參數(shù)如表1所示，巷道斷面圖及構建完成后的模型如圖1（a）、圖1（b）所示。

圖1 巷道斷面圖及模型

表1 圍巖力學參數(shù)匯總

2.2 支護參數(shù)

本文主要針對錨桿支護、錨噴支護、錨噴網(wǎng)＋錨索耦合支護方式下的圍巖控制效果進行分析，其支護參數(shù)如下：

（1）錨桿支護：間排距為1 000 mm，每排錨桿個數(shù)為9 根，距離底板1 000 mm。

（2）錨噴支護：錨桿間排距為1 000 mm，每排錨桿個數(shù)為9 根，距離底板1 000 mm。噴射混凝土的強度為C20，噴射厚度為50 mm。

（3）錨噴網(wǎng)＋錨索支護：錨桿間排距為1 000 mm，每排錨桿個數(shù)為8 根，距離底板1 000 mm；錨索長度為6 m，直徑為21.5 mm，每排5 根；噴射混凝土的強度為C20，噴射厚度為50 mm。

本文所設計的錨桿均為樹脂型錨桿，利用經(jīng)驗法并結合巷道斷面形狀確定錨桿尺寸為： 直徑20 mm，長度為2 000 mm，間距為1 000 mm。三種支護方案中所用支護材料力學參數(shù)如表2、表3所示。

表2 錨桿力學參數(shù)匯總

表3 錨索及混凝土力學參數(shù)匯總

3 分析與討論

利用FLAC3D軟件分別對以上三種支護方式下破碎圍巖巷道內的應力分布、 變形量以及塑性區(qū)范圍進行了分析，其分析結果如圖2～圖4所示。

圖2 不同支護方式下豎直方向應力分布云圖

圖4 不同支護方式下塑性區(qū)分布云圖

如圖2所示，三種支護方式下，巷道所受應力主要集中在頂板與底板位置，且表現(xiàn)為拉應力。相比于錨桿支護方式，后兩者支護方式中頂板應力集中現(xiàn)象不明顯，且兩幫附近壓應力影響范圍也遠小于錨桿支護方式。通過對比圖2（b）和圖2（c）可以發(fā)現(xiàn)，兩種支護方式下在頂?shù)装逦恢锰幍睦瓚Υ笮∠嗖畈淮?，但錨噴＋錨索支護方式下的構造應力影響范圍要小于錨噴支護。由此可知，采用錨噴＋錨索支護可以較好地發(fā)揮主動支護的優(yōu)勢，從而縮小圍巖內應力集中的影響范圍。

如圖3所示，采用錨桿支護方式時，頂、底板在豎直方向的位移量依次為113 mm 和125 mm；采用錨噴支護時，頂、 底板的位移量依次為90.6 mm 和115.8 mm；采用錨噴＋錨索耦合支護時，頂、底板的位移量僅為40.3 mm 和76.2 mm。采用錨噴＋錨索耦合支護方式可以較好地減小頂?shù)装逦灰屏俊?/p>

圖3 不同支護方式下垂直位移分布云圖

如圖4所示，采用錨桿支護時，巷道頂?shù)装迓氏冗M入塑性區(qū)，之后塑性區(qū)范圍轉移至兩幫以及兩幫與頂?shù)装褰唤缣?，并延伸至距離巷道壁10 m左右圍巖內；采用錨噴支護時，巷道開挖初期的頂?shù)装搴蛢蓭途鶗a(chǎn)生塑性變形，隨著時間推移塑性區(qū)會向圍巖深部轉移，此時塑性區(qū)范圍相比錨桿支護時明顯減小；采用錨噴＋錨索耦合支護時，巷道圍巖內部塑性區(qū)范圍再次減小，但此時底板處出現(xiàn)拉伸應變的塑性區(qū)范圍，隨著時間的推移，塑性區(qū)會轉移至底板與兩幫交界處。由此可見，采用錨噴支護后可以使圍巖處于相對穩(wěn)定的支撐狀態(tài)，但塑性區(qū)間較大；采用錨噴＋錨索耦合支護會縮小塑性區(qū)范圍，可以較好地控制圍巖變形。

4 結論

本文采用FLAC3D軟件針對破碎圍巖巷道在采用錨桿支護、錨噴支護、錨噴＋錨索耦合支護三種支護方式下的巷道位移、 應力分布及塑性區(qū)時空演變特征進行了分析研究，結果表明：

1）采用三種支護方式均會造成頂板與底板的應力集中現(xiàn)象，不同支護方式下兩幫以及頂?shù)装逄幍臉嬙鞈τ绊懛秶鸀殄^噴＋錨索＜錨噴＜錨桿支護。

2）分別采用錨桿支護、錨噴支護以及錨噴＋錨索耦合支護三種支護方式時，錨桿支護頂?shù)装逦灰屏孔畲?，錨噴＋錨索耦合支護時頂?shù)装逦灰屏孔钚?，錨噴支護介于二者之間，由此可知采用錨噴＋錨索耦合支護可以較好地控制頂?shù)装逦灰屏俊?/p>

3）錨桿支護方式會導致巷道兩幫和頂?shù)装褰粎R處處于較長時間的塑性變形狀態(tài)，而采用錨噴支護可以使圍巖處于相對穩(wěn)定的支撐狀態(tài)，但塑性區(qū)間較大； 采用錨噴＋錨索耦合支護會縮小塑性區(qū)范圍，因此選用錨噴＋錨索耦合支護可以獲得較好的支護效果。