過斷層地質(zhì)構(gòu)造帶煤巷支護(hù)優(yōu)化

　　摘 要: 高陽煤礦回采巷道過斷層期間，原支護(hù)方案支護(hù)參數(shù)過于保守，支護(hù)形式有待優(yōu)化。通過理論計(jì)算，對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過數(shù)值模擬對(duì)巷道圍巖的垂直位移、水平位移及塑性屈服區(qū)范圍進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示與原方案相比，優(yōu)化方案的垂直位移、水平位移變化很小，均處于安全范圍內(nèi)，且優(yōu)化方案對(duì)巷道圍巖塑性屈服區(qū)范圍控制效果較好。由此可見，優(yōu)化支護(hù)方案在保證巷道安全穩(wěn)定的前提下，可節(jié)約支護(hù)成本，提高掘進(jìn)效率。

　　本文源自山西建筑 發(fā)表時(shí)間：2021-02-25 《山西建筑》(旬刊)創(chuàng)刊于1975年，由山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳主管，山西省建筑科學(xué)研究院主辦，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，是山西省建設(shè)行業(yè)唯一的一份國家級(jí)刊物，山西省一級(jí)期刊。雜志社設(shè)有編輯部、廣告部、發(fā)行部和排版中心，共有采編40余人，主編1人，副主編3人，責(zé)任編輯6人，編輯30余人。

　　關(guān)鍵詞: 煤礦巷道，斷層構(gòu)造，支護(hù)優(yōu)化，數(shù)值模擬

　　1 工程概況

　　汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦所采的三采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，多見斷層。斷層構(gòu)造不僅對(duì)巷道支護(hù)造成了較大的困難，而且降低了巷道的掘進(jìn)效率、影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文以高陽煤礦三采區(qū)某回采巷道過斷層帶為研究背景，對(duì)過斷層地質(zhì)構(gòu)造帶煤巷支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　該回采巷道埋深約 400 m，開采太原組 9-10-11 號(hào)煤，煤層總厚度平均約為 7. 22 m。煤層總體為一單斜構(gòu)造區(qū)，產(chǎn)狀為走向北東，傾向南東，傾角最大 13°，最小 2°，平均 5°。開采煤層直接頂為 3. 63 m 左右的砂巖，老頂為 6. 16 m 左右的灰?guī)r，直接底為 2. 60 m 左右的灰黑色砂泥巖，老底為 2. 69 m 左右的灰色細(xì)粒砂巖。煤層頂?shù)装鍘r性特征如表 1 所示。

　　高陽煤礦三采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，陷落柱發(fā)育，多見斷層。該回采巷道在掘進(jìn)期間揭露一條落差為 H = 3 m，傾向 45°的正斷層，巷道由斷層上盤向斷層下盤穿越，根據(jù)煤層柱狀圖和頂?shù)装鍘r性可知，此段巷道兩幫和頂板多為泥巖。地質(zhì)剖面圖如圖 1 所示。

　　2 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

　　2. 1 原支護(hù)參數(shù)

　　巷道在過斷層區(qū)間采用三心拱斷面，巷道寬 5 100 mm，拱高 1 900 mm，墻高 1 500 mm，巷道高度為 3 400 mm，斷面面積約 15 m2 。

　　頂板采用 20 × 2 200 mm 的螺紋鋼錨桿，“七·七”放射型布置，錨桿間距為 900 mm，排距 1 000 mm，巷道兩幫分別采用 20 × 2 200 mm 的螺紋鋼錨桿及 16 × 1 800 mm 的金屬圓鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，“二·二”矩形布置，錨桿間距為 900 mm，排距 1 000 mm，頂、幫每根錨桿均配套使用一塊長 × 寬 × 厚 = 400 mm × 300 mm × 3 mm 的鋼帶托塊; 頂板錨索采用 17. 8 × 6 300 mm 的鋼絞線，間距 2 000 mm，排距 2 000 mm，“三·三”矩形布置，每根錨索使用一塊長 × 寬 × 厚 = 300 mm × 300 mm × 14 mm 的錨索托板及 90 mm × 90 mm × 10 mm 的墊片; 頂、幫均鋪設(shè) 6 × 2 000 mm × 1 000 mm 的鋼筋網(wǎng)。巷道施工完畢后，噴漿 50 mm 厚，噴漿緊跟工作面。支護(hù)布置如圖 2 所示。

　　2. 2 支護(hù)現(xiàn)狀及理論分析

　　高陽煤礦過斷層段巷道屬較大斷面泥巖層巷道，圍巖兩幫與頂板多為泥巖，圍巖較為穩(wěn)定; 支護(hù)成本高、效率低，支護(hù)過多將降低圍巖的自承能力并影響工程進(jìn)展。

　　現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有支護(hù)中，巷道過斷層段支護(hù)較為密集，頂板錨桿、錨索數(shù)量較多且間距、排距較小，從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，圍巖中泥巖居多，巖性較為穩(wěn)定，現(xiàn)有支護(hù)布置方式過于保守。支護(hù)過多不僅增加了鉆孔數(shù)量，影響巷道掘進(jìn)效率，而且也會(huì)對(duì)完整性較好的圍巖造成破壞，降低圍巖的自承能力。分析認(rèn)為，原有的支護(hù)布置過于密集，對(duì)圍巖造成了一定程度的破壞，而且會(huì)增加支護(hù)成本，影響工程進(jìn)度。所以應(yīng)在嚴(yán)格按照規(guī)范保證巷道安全穩(wěn)定的前提下，合理經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)支護(hù)最優(yōu)化。

　　3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　該回采巷道服務(wù)年限為 1 年 ～ 2 年，通過圍巖力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)和鉆孔窺視實(shí)驗(yàn)，確定高陽煤礦三采區(qū)的圍巖力學(xué)參數(shù)、過斷層巷道頂部及幫部圍巖巖性及其破碎情況，并以此為依據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算與方案設(shè)計(jì)。

　　3. 1 支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算

　　本研究采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方式，利用加固拱理論和懸吊理論對(duì)巷道錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，具體計(jì)算過程如下。

　　3. 1. 1 頂錨桿參數(shù)計(jì)算

　　頂錨桿長度 L 通過式( 1) 確定: L = N( 1. 1 + B/10) ( 1) 其中，N 為圍巖穩(wěn)定性系數(shù)，此處按Ⅴ類圍巖情況取 1. 2; B 為巷道跨度，取 5. 1 m。頂錨桿長度 L: L = 1. 93 m。

　　3. 1. 2 頂錨索參數(shù)計(jì)算

　　根據(jù)錨索懸吊理論，錨索長度 Ld 由式( 2) 確定: Ld≥La + Lb + Lc ( 2) 其中，La 為錨索外露長度，取 0. 3 m; Lb 為錨索的有效長度，取 3. 0 m; Lc 為錨索的錨固長度，取 2. 4 m。錨索長度 Ld : Ld≥5. 7 m。錨桿間排距 Sa 由式( 3) 確定: Sa≤n[σa ]/( k × h × B × γ) ( 3)

　　其中，n 為每排錨索數(shù); [σa]為單根錨索極限破斷力，取 355 kN; k 為安全系數(shù)，取 1. 2; h 為錨桿所懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取 3. 0 m; B 為巷道跨度，取 5. 1 m; γ 為上覆巖層平均容重，取 23 kN/m3 。

　　每排布置兩根錨索時(shí)，得: Sa≤1. 68 m; 每排布置三根錨索時(shí)，得: Sa≤2. 52 m。

　　3. 1. 3 幫錨桿參數(shù)計(jì)算

　　幫錨桿長度 H 由兩幫的最大片幫深度確定: H = Mtanβ ( 4) 其中，M 為巷道高度，取 3. 2 m; β 為剪切滑移面與煤壁的夾角，取 27. 5°。幫錨桿長度 H: H = 1. 67 m。

　　當(dāng)取頂錨桿及幫錨桿長度均為 2. 2 m 時(shí)，錨桿直徑 d≥L /110 = 20. 0 mm; 錨桿間排距 a≤0. 5L = 1. 1 m。

　　綜上所述，通過理論計(jì)算得到巷道頂錨桿設(shè)計(jì)長度應(yīng)不小于 1. 93 m，幫錨桿長度應(yīng)不小于 1. 67 m，當(dāng)取頂錨桿與幫錨 桿 長 度 均 為 2. 2 m 時(shí)，錨 桿 間 排 距 應(yīng) 不 大 于 1. 1 m，直徑 不 小 于 20. 0 mm; 頂 板 錨 索 長 度 應(yīng) 不 小 于 5. 7 m，在巷道寬度為 5. 1 m 條件下，錨索每排兩根布置時(shí)，排距應(yīng)不大于 1. 68 m; 錨索每排三根布置時(shí)，排距應(yīng)不大于 2. 52 m。

　　3. 2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上述支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算結(jié)果，本文優(yōu)化支護(hù)方案如下:

　　拱形頂板采用 20 × 2 200 mm 的螺紋鋼錨桿，“六· 六”放射型布置，錨桿間距為 1 100 mm，排距為 1 000 mm; 兩幫均采用 20 × 2 200 mm 的螺紋鋼錨桿支護(hù)“二·二” 布置，間距 900 mm，排距 1 000 mm，頂、幫每根錨桿均配套使用一塊長 × 寬 × 厚 = 300 mm × 400 mm × 3 mm 的鋼帶托塊; 頂板 錨 索 采 用 17. 8 × 6 300 mm 的 鋼 絞 線，間 距 2 000 mm，排距 1 000 mm，“二·一·二”三花布置，每根錨索配套使用一塊長 × 寬 × 厚 = 300 mm × 300 mm × 14 mm 的錨索托板及 90 mm × 90 mm × 10 mm 的墊片; 頂、幫均要求鋪設(shè) 6 × 2 000 mm × 1 000 mm 的鋼筋網(wǎng)。巷道施工完畢后，噴漿50 mm 厚，噴漿緊跟工作面。優(yōu)化方案支護(hù)布置如圖 3 所示。

　　優(yōu)化支護(hù)方案不僅節(jié)約了支護(hù)成本、提高了巷道掘進(jìn)效率，而且采用頂錨桿“六 · 六”放射型布置與頂錨索 “二·一·二”三花布置，使得布置形式更為合理。施加預(yù)應(yīng)力之后，錨桿與錨索之間的有效壓應(yīng)力區(qū)可相互連接、重疊，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的均勻擴(kuò)散，產(chǎn)生聯(lián)合支護(hù)效果，控制錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞，較大限度地保持圍巖的完整性，減小錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度的降低，以充分發(fā)揮其自承能力，保證巷道的安全穩(wěn)定。

　　4 數(shù)值模擬計(jì)算

　　4. 1 建立模型

　　本研究運(yùn)用 FLAC3D 軟件對(duì)原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)方案分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析對(duì)比了兩種方案下的巷道變形，為優(yōu)化支護(hù)方案的實(shí)施應(yīng)用提供充分的理論依據(jù)，以確保優(yōu)化支護(hù)方案的可行性，保證生產(chǎn)工作的安全性。

　　根據(jù)高陽煤礦巷道工作面巖層綜合柱狀圖和已有的巖層力學(xué)性質(zhì)等資料，所選取巖層力學(xué)、物理參數(shù)如表 2 所示。

　　考慮煤巖體中的層理、節(jié)理和裂隙對(duì)其參數(shù)的影響，在計(jì)算中對(duì)煤和巖石的強(qiáng)度參數(shù)分別考慮 0. 7 和 0. 8 的裂隙影響系數(shù)。

　　計(jì)算模型寬度取 30 m、高度取 30 m、進(jìn)深均取 10 m。網(wǎng)格按巖層分區(qū)劃分，并且為不均勻劃分。坐標(biāo)原點(diǎn)取在巷道中心位置，z 軸取重力方向，x 軸取巷道寬度方向，y 軸指向進(jìn)深。采用位移邊界條件，模型的上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，模型四側(cè)面限制節(jié)點(diǎn)水平位移，模型下表面固定。采用程序內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)單元模擬各種支護(hù)構(gòu)件。模型劃分見圖 4。

　　4. 2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

　　巷道圍巖變形大小可以體現(xiàn)巷道穩(wěn)定性，本研究主要對(duì)優(yōu)化支護(hù)前后的巷道圍巖垂直位移、水平位移及塑性屈服區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析。

　　4. 2. 1 巷道圍巖垂直位移對(duì)比分析

　　圖 5 為巷道圍巖垂直位移對(duì)比圖。由圖 5 可知，原支護(hù)方案最大頂板下沉量為 10. 93 mm，底鼓量為 7. 42 mm; 優(yōu)化支護(hù)方案最大頂板下沉量為 11. 80 mm，底鼓量為 6. 83 mm。所以，優(yōu)化方案與原支護(hù)方案相比，在減去支護(hù)材料的條件下，頂板下沉量有少許增加，但依然能夠保證圍巖處在安全穩(wěn)定狀態(tài)，由此，驗(yàn)證了優(yōu)化支護(hù)方案對(duì)頂板支護(hù)的可行性。

　　4. 2. 2 巷道圍巖水平位移對(duì)比分析

　　圖 6 為巷道圍巖水平位移對(duì)比圖。由圖 6 可知，原支護(hù)方案兩幫移近量 12. 47 mm，優(yōu)化支護(hù)方案兩幫移近量 12. 40 mm。所以，兩種方案均可有效控制幫部圍巖變形。

　　4. 2. 3 巷道圍巖塑性屈服區(qū)對(duì)比分析

　　圖 7 為巷道圍巖塑性屈服區(qū)對(duì)比圖。由圍巖塑性屈服區(qū)域計(jì)算結(jié)果可知，巷道圍巖主要以壓剪破壞為主，且優(yōu)化支護(hù)方案和原支護(hù)方案，對(duì)于控制圍巖塑性區(qū)范圍和巷道兩幫塑性屈服都有著較好的作用，由此可以看出優(yōu)化支護(hù)方案在減少支護(hù)的情況下，對(duì)圍巖塑性區(qū)控制仍有著較好效果，可保證圍巖的安全穩(wěn)定性。

　　5 結(jié)語

　　高陽煤礦回采巷道在掘進(jìn)過斷層期間，頂板和兩幫多為泥巖，圍巖巖性較為穩(wěn)定。原支護(hù)方案中，頂板錨桿、錨索數(shù)量較多、間排距較小，支護(hù)方案過于保守。本文通過理論計(jì)算，在保證巷道安全穩(wěn)定的前提下，設(shè)計(jì)了更為經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方案。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在減少支護(hù)成本的條件下，巷道圍巖的垂直位移、水平位移與原支護(hù)方案相比變化很小，均在安全范圍內(nèi)，優(yōu)化支護(hù)方案對(duì)于控制圍巖塑性屈服區(qū)范圍和巷道兩幫塑性屈服有著較好的效果。因此，認(rèn)為優(yōu)化支護(hù)方案與原支護(hù)方案相比，在降低支護(hù)成本、提高支護(hù)掘進(jìn)速度的同時(shí)，可保證巷道在掘進(jìn)過程中的安全穩(wěn)定性。