安徽潘二矿东二采区胶带机巷围岩稳定性控制技术*

2018-04-12李金兰李中楠

现代矿业 2018年3期

李金兰　刘　滨　李中楠

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院；2.中国科学院武汉岩土力学研究所；3.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室；5.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

井底车场是连结井下运输和井筒提升的枢纽，作为煤炭矿井主要的运输、轨道、联络、通风巷道，巷道之间联系密切，形成了复杂的巷道群体系。煤矿开采进入深部后，由于工程地质条件的复杂性以及巷道群近距离开挖时的扰动影响，导致围岩稳定性与巷道开挖过程存在密切相关性。在巷道围岩开挖过程中，开挖顺序会对相邻巷道的破裂损伤区、应力扰动区的分布范围和围岩破坏损伤程度产生明显影响。为确保巷道开挖安全、顺利进行，各巷道之间的开挖顺序一直是巷道群整体稳定性研究的重点[1-6]。

针对开采顺序影响巷道稳定性的问题，杨万斌等[7]采用非线性有限元数值计算方法，研究了不同开挖顺序下大跨度全煤巷道的应力、位移分布特征和围岩破坏范围的变化规律；程桦等[8]以朱集煤矿为例，采用广义的Hoek-Brown准则估算了岩体的力学参数，根据硐室群的施工条件，运用动态规划理论优选了深埋硐室群的最佳施工顺序；李家卓等[9]以张集煤矿1113(1)工作面轨道巷为例，分析了轨道巷多次扰动失稳机理，并对煤层群临近层多工作面的回采顺序进行了数值计算，再现了不同开采顺序下的底板动压回采巷道的围岩力学环境；张毅等[10]利用FLAC3D软件，模拟分析了赵庄矿皮带硐室群在不同开挖顺序下围岩变形特性和应力特征，并提出了相应的支护对策；此外，徐文斌等[11]，李璐等[12]，郭进平等[13]也开展了相关研究工作，成果丰硕。本研究以潘二矿东二采区井底车场巷道群为研究对象，根据3条巷道的空间位置关系，拟定了3种比较典型的开挖方案，运用FLAC3D数值模拟软件，通过分析不同开挖顺序下围岩的应力场、位移场及塑性破坏区的差异，优选出对围岩稳定性影响最小的最佳开挖顺序，在此基础上，结合深部岩巷支护理论对胶带机巷的支护方案进行设计。

1　工程概况

潘二矿东二采区井底车场巷道群的3条目标大巷(轨道巷、胶带机巷、回风巷)处于-520 m水平，且巷道布置于11#煤层底板。巷道围岩岩性主要为泥岩、砂质泥岩、含炭泥岩、薄煤层以及弱胶质砂岩，属于极高地应力区，岩层节理、裂隙发育，岩石破碎，遇水易软化、泥化。原巷道支护设计为巷道断面为直墙半圆拱形，半圆拱净断面规格为2 550 mm×1 500 mm(宽×高)，巷道整体净断面规格为5 100 mm×4 050 mm(宽×高)。东二采区胶带机大巷位于-517 m 水平，其两侧分别布置有-502 m回风大巷及-522 m轨道运输大巷，各巷道的位置关系见表1，平面关系见图1。

表1　胶带机大巷与相邻巷道的位置关系　m

图1　井底车场平面布置示意

2　巷道开挖方案数值模拟分析

2.1　数值模型构建

根据潘二矿工程地质特征和东二采区岩层层位分布情况，并结合3条平行巷道的位置(沿X轴正向依次为轨道巷、胶带机巷、回风巷)以及巷道断面规格，本研究应用FLAC3D数值模拟软件，构建了与工程地质实际情况等效的数值模型(图2)，模型几何尺寸为200 m×90 m×150 m(长×宽×高)，模型共有171 500个单元，191 464个节点。

图2　数值模型

根据相关测试数据，模型煤岩层物理力学参数取值见表2，计算模型材料采用Mohr-coulomb弹塑性本构模型。该模型周围各边界均采用水平位移约束，底部采用固定位移约束。现场实测原岩水平主应力为20.8 MPa，侧压力系数为1.65，相应的垂直向主应力为12.6 MPa。

表2　模型煤岩层的物理力学参数

2.2　巷道开挖方案

由于井底车场巷道群布置的特殊性，巷道群施工一般是并行开挖，开挖顺序不同，将引起围岩应力场和位移场产生较大差异。本研究设计了3种巷道开挖方案：方案Ⅰ为轨道巷→胶带机巷→回风巷，方案Ⅱ为胶带机巷→轨道巷→回风巷，方案Ⅲ为轨道巷→回风巷→胶带机巷。

2.3　方案数值模拟分析

2.3.1巷道应力分布特征

巷道群开挖会引起围岩应力重分布，导致周围岩体发生变形破坏，应力重分布后的围岩应力状态与围岩破坏程度和破坏模式密切相关。3种开挖方案对应的巷道垂直应力、水平应力分布特征分别如图3、图4所示。通过对比分析图3、图4可知：①不同的开挖顺序对巷道群的垂直应力、水平应力叠加有一定的影响，但3种开挖顺序所引起的各方向应力的大小、分布状态和扩散形式基本相同；②垂直应力在巷道群边墙两侧形成了范围较大的高值应力区，在拱顶和底板形成了半环状的应力降低区；③水平应力在巷道顶板和底板较深围岩内形成了应力集中区，在巷道近表围岩内形成了较大范围的应力降低区。

图3　巷道群垂直应力分布特征

2.3.2巷道变形特征

3种开挖方案对应的巷道总位移如图5所示。由图5可以看出受巷道开挖扰动的影响，3条巷道出现了不同程度的顶板下沉、底鼓和两帮收敛等现象，各方案对应的总位移在分布形态上相差较小。为直观地反映不同开挖顺序对巷道特殊工程部位(顶板、边墙、底板)的影响，表3给出了3种方案对应的巷道不同部位的位移值。

图4　巷道群水平应力分布特征

分析图5、表3可知：①在3种开挖方案中，巷道群最大位移值均出现于胶带机巷(中间巷道)拱顶和底板中部，其中拱顶处位移值为299.4～328.3 mm，底板处位移值为280.2～339.2 mm；②方案Ⅰ中回风巷、胶带机巷边墙变形最小，轨道巷底板和顶拱变形最大，方案Ⅱ中胶带机巷底板、边墙变形最大，方案Ⅲ中轨道巷顶拱变形最大，总体上，方案Ⅱ对应的总位移值最大，方案Ⅰ次之，方案Ⅲ最小；③从开挖顺序对各巷道的影响来看，各方案中最后开挖的巷道受到的影响最小，对中间巷道(胶带机巷)的影响最大。

图5　巷道群总位移

2.3.3塑性破坏区分布特征

巷道群开挖完毕后，由于应力重分布后二次应力场的不同，围岩破损区的破坏程度、破坏范围和分布特征也有所不同，进而对各部位(底板、顶板、边墙)围岩稳定性的影响也存在差异。各方案对应的巷道群围岩塑性破坏区的分布特征如图6所示。

通过分析图6可知：①底板是围岩破坏范围最大的部位，方案Ⅱ中胶带机巷(中间巷道)的破损区范围最大，破坏区直径达到7.2 m，方案Ⅰ次之，方案Ⅲ中轨道巷的破坏范围最小；②开挖顺序对底板深部围岩的破坏类型也有影响，方案Ⅰ中，胶带机巷底板右侧深部围岩的较多单元进入峰后破碎状态；方案Ⅲ中，胶带机巷底板围岩的部分单元进入剪切屈服破坏阶段，很少有单元进入拉破坏阶段；③各方案中底板表层围岩均发生了不同程度的剪切和拉伸破坏，就底板的破损区范围而言，方案Ⅱ>方案Ⅰ>方案Ⅲ。

图6　巷道群围岩塑性破坏区分布特征

进一步分析图6可知：巷道顶拱的围岩破坏类型和破坏区与底板相似，3种方案中，胶带机巷拱角处围岩破坏区范围大，破坏程度严重，而拱中心处的破坏范围相对较小；两侧拱角和拱中心的围岩破坏类型与底板类似，巷道顶拱表层围岩也有拉伸和剪切破坏现象，但范围较小，就3种方案对应的顶拱围岩产生的破坏区域面积而言，方案Ⅲ>方案Ⅰ>方案Ⅱ。巷道边墙的破损区遵循由上至下依次减小的规律，与顶拱交界处的塑性破坏区范围最大，与底板交界处的塑性破坏区最小，破坏区直径为4.5～6.8 m。就边墙的破坏范围大小而言，方案Ⅱ>方案Ⅰ>方案Ⅲ。

上述分析表明，开挖顺序对巷道群围岩在开挖过程中的稳定性具有显著影响，但巷道总体的应力场、位移场变化较小。但在巷道的特殊部位(底板、顶板、边墙)，不同的开挖顺序在位移值以及塑性破坏区范围、破坏程度和破坏类型等方面存在明显差异，对局部乃至整个工程设计和施工都产生了重大影响。由于巷道群施工过程中存在施工时间紧张、工作空间小等问题，巷道底板往往无法得到及时支护，而顶部和拱肩支护施工较为及时，因此综合考虑各方面因素，本研究认为方案Ⅲ为最优开挖顺序。

3　支护方案及实施效果

3.1　支护方案设计

本研究依据深部岩巷支护理论[14-15]，设计了锚杆、锚索联合支护方案。支护施工工序为：①刷扩卧底；②锚网喷，喷射150 mm厚混凝土；③浅孔注浆(帮顶)；④深孔注浆(帮顶)；⑤帮顶采用预应力锚索加固。

3.1.1锚杆支护

根据该矿前期锚杆支护受力状况和围岩特性，采用规格为φ22 mm×2 800 mm锚杆进行支护，间排距为1 000 mm×1 000 mm(图7)，配有规格为150 mm×150 mm×8 mm(长×宽×高)托盘，预应力为50 kN，锚杆抗拔力不小于100 kN，扭矩不小于120 N·m。每孔使用2卷Z2850型树脂药卷。钢筋网规格为φ6.5 mm，2 300 mm×1 200 mm(长×宽)，网孔规格150 mm×150 mm，压茬、搭接长度均为100 mm，用12#铁丝联网。在巷道两帮墙脚底板往上0.2～0.3 m处各施工1根帮脚锚杆(俯角30°～45°)，起到加固帮脚应力集中区，阻止围岩剪切滑移的作用。

图7　锚杆布置示意

3.1.2帮顶浅孔注浆

注浆管长0.5 m，注浆孔深1 m，排距2.1 m，跟据巷道断面尺寸确定间距，胶带机巷为1.3 m，轨道巷和回风巷为1.5 m(图8)。每个断面布置7根注浆管，注浆压力为1.5 MPa，注浆孔封孔长度为0.3 m。采用7655型或YT-27型风锤造孔，钻头直径为42 mm。

图8　注浆孔布置示意

3.1.3帮顶深孔注浆

注浆孔长5 m，注浆管长3 m，排距2.1 m，间距胶带机巷为1.3 m，轨道巷和回风巷为1.5 m(图8)。每个断面共布置10根深孔注浆管(帮顶共8根，底板2根)，注浆压力大于4.0 MPa，注浆孔封孔长度为0.5 m。钻眼可采用MQT系列锚杆钻机施工，钻头直径为42 mm。

3.1.4锚索支护

锚索材质为低松弛钢绞线，规格为φ21.8 mm×6 300 mm，排距2.1 m，间距大断面为2.3 m，小断面为1.9 m(图9)。每个断面布置5根锚索，配合规格为400 mm×400 mm×15 mm(长×宽×高)大托盘安装，预紧力为150 kN，抗拔力不低于350 kN。每孔使用4卷Z2850型树脂药卷。锚索眼打齐后，装入树脂药卷，插入锚索线，送锚索线时应注意轻送，防止药卷破裂，药卷送入眼底后安装锚索搅拌器，开动锚索机搅拌，搅拌速度应由慢到快，时间不少于50 s(药卷送入孔底后搅拌时间不宜小于15 s)，卸下钻机，0.5 h后起用垫板及锁具，最后用手动(电动)油泵配合YCD卡式千斤顶张拉锚索，预紧力为150 kN[16-17]。

图9　锚索布置示意

3.2　巷道支护效果

支护方案实施后，胶带机巷围岩表面位移监测数据如图10所示。分析图10可知：巷道围岩变形速率均控制在0.1 mm/d以下，水平收敛量、拱顶下沉量和底鼓量变化均趋于稳定，表明本研究所提出的锚杆、锚索联合支护方案对于巷道围岩稳定性控制效果较理想。

4　结　语

为对安徽潘二矿东二采区胶带机巷围岩稳定性进行有效控制，对该矿东二采区井底车场巷道群在不同开挖顺序下的围岩应力场、位移场及塑性破坏区的分布特征进行了数值模拟分析，优选出了最佳开挖顺序。在此基础上，设计了锚杆、锚索联合支护方案，通过选取合理的支护参数，有效控制了巷道围岩变形，对于类似矿山巷道支护方案设计有一定的借鉴价值。