南山煤矿软岩巷道恒阻控制对策研究

吴永纯

(龙煤集团鹤岗矿业公司，黑龙江 鹤岗 154100)

南山煤矿软岩巷道恒阻控制对策研究

吴永纯

(龙煤集团鹤岗矿业公司，黑龙江 鹤岗 154100)

摘要：本文通过对南山煤矿东部区工程地质条件和工程现状的调查研究，发现该区域巷道发生变形破坏的范围大，具有顶板下沉量大、两帮变形严重且呈明显的不对称性、底臌等特征，因此在对该区域软岩巷道进行支护时，应使用既要满足在巷道变形初期能及时阻止围岩变形，又要满足能够持续性的吸收围岩释放出的巨大能量的支护材料，并且还要解决底臌变形严重的问题。并据此有针对性的提出了以NPR高预应力恒阻锚杆(索)+底脚锚管索为支护方案的巷道稳定性控制对策，根据现场工程地质条件和围岩性质建立相应的工程地质模型，通过FLAC3D数值模拟对支护对策的可靠性进行验证。最后以南山矿东部区-120总回风巷为工程背景，将传统支护方式和新支护方案进行实际应用对比，现场监测结果证明了支护方案的合理性。

关键词：软岩巷道支护；数值模拟；变形破坏机理；NPR高预应力恒阻锚杆

鹤岗矿区煤炭的开采具有70多年的历史，是位于黑龙江鹤岗的一个老矿区，随着范围和开采强度的不断增加，陆续进入深部开采，巷道围岩出现明显的软岩特性，具有高应力、岩石强度低、岩体极为破碎等特点[1-6]。南山煤矿东部区地质构造较为复杂，部分岩层间属于不整合接触；南山煤矿东部区现已采用U36型钢架支护、低预应力普通锚网索支护等支护方式，但支护效果都不理想，支护之后都不同程度的进行了返修，并且一部分巷道需要返修多次，支护极其困难[7-8]。各种灾害对深部软岩地区煤炭资源的安全高效生产造成巨大的威胁[9-12]，如何对该区软岩巷道实施有效的控制，保证巷道在服务期间正常使用，是南山煤矿亟待解决的生产难题。

1巷道变形破坏特征

南山煤矿东部区软岩巷道的围岩变形可以分成两个重要阶段：第一个阶段是在开挖之后巷道形成初期的大变形，巷道揭露之后，含水层中的水流出，带有大量粘土性矿物的膨胀性软岩与水接触，这种软岩会在很短的时间内发生泥化，从而产生大变形效应；第二阶段大变形的产生是由于该区地应力很大并且围岩较为破碎，在没有合适的适应软岩大变形的支护方式下，围岩变形的能量无法得到释放、不断的累积，大变形进一步扩展。

图1　巷道变形破坏模式

根据现场调查结果，南山矿东部区软岩巷道变形破坏(图1)呈现以下特征：①变形范围大，根据现场调查，东部区巷道均有发生大变形灾害，大部分巷道在支护几个月之内就变形严重，支护段均出现软岩大变形现象；②巷道的变形破坏的程度非常严重，巷道围岩岩体强度低，且遇水泥化现象严重。在现场所见，巷道两帮变形能够达到1000mm以上，顶板下沉600mm以上，不仅仅机械设备等的通行受到极重的影响，而且对工作人员的安全是非常大的安全隐患；③巷道围岩由于地质构造影响，应力非常集中，支护体与巷道围岩在强度、刚度和结构上变形不协调，从而使得支护体被个个击破，支护体失效的范围和数量随之增多，剩下的支护体更加无法抵抗巷道变形，最终造成巷道整体发生破坏；④巷道变形呈现明显的不对称性，巷道右帮变形量明显大于巷道左帮的变形量，而且从新开拓不久的巷道进行观察可以发现，巷道右帮的混凝土喷层发生破坏脱落的现象明显早于左帮，不对称性明显。

2巷道稳定性控制对策

根据南山矿东部区总回风巷-120巷道数值运算的结果分析，可以将锚杆支护体与巷道围岩的作用关系概述如下所示。

根据对南山矿东部区软岩巷道变形破坏特征的分析可知，在对该区巷道软岩进行支护时，既要满足在巷道变形初期能阻止巷道围岩变形，也要满足能够持续性的吸收围岩释放出的巨大能量的材料，并且还要解决底臌严重的问题，现据此提出NPR高预应力恒阻锚杆(索)+底脚锚管索的巷道稳定性控制对策，具体的支护方案及支护参数见图3、图4。

图2　NPR恒阻锚杆支护断面图(未标注单位：mm)

图4　NPR恒阻锚索和底脚锚管索支护断面图(未标注单位：mm)

锚杆采用恒阻值为20t的NPR恒阻锚杆，长度3000mm，间排距为800mm×800mm，平行布置；锚索采用恒阻值为35t的NPR恒阻锚索，长度8000mm，间排距为1600mm×1600mm，与锚杆相互错开布置；底角锚管索中锚索采用恒阻值为35t的NPR恒阻锚索，长度5000mm，平行且下倾45°布置，间排距为500mm×800mm，安装套管并灌注混凝土以此固定锚固端。

3数值模拟分析

本文以鹤岗矿区南山煤矿东部区南部-120总回风巷现场工程地质条件为基础建立模型，确定计算模型的尺寸长×宽×高=30m×40m×40m，岩层的倾角设置为20°，巷道布置沿着岩层走向并处于灰白色中砂岩层中，没有穿过其他岩层，数值模拟的工程地质模型见图4。模型由六面体单元构成，该模型共划分97440个单元，103478个节点，该模型底部固定，限制侧面水平移动，模型的上表面为应力边界，施加的荷载为12MPa，南山煤矿东部区巷道设计巷道断面形状为直墙半圆拱形断面，断面尺寸为净宽×净高=4400mm×3500mm，毛断面宽×高=4600mm×3600mm，该断面形状在南山煤矿得到广泛应用。

图4　工程地质模型

3.1围岩位移场分布规律分析

从图5可以看出，采用新方案支护后，巷道两帮的最终移近量为196mm，顶底板最终移近量为197mm，并且底臌变形控制为40mm，该变形量在巷道允许变形的范围之内，不影响巷道的正常使用，巷道的稳定性得到很好的控制。

3.2围岩应力场分布规律分析

从图6可以看出，在使用NPR高预应力恒阻锚杆(索)+底脚锚管索支护方案后巷道围岩的应力集中区域的范围减小显著，应力集中的程度降低。

3.3围岩塑性区分布规律分析

从图7可以看出，采用NPR高预应力恒阻锚杆(索)+底脚锚管索支护之后，各个方向上的塑性区范围控制在锚杆(索)固定范围之内，肩部和底脚塑性区显著减小，巷道围岩变形得到有效控制。

3.4支护结构受力分析

从图8可以看出，在巷道稳定之后，锚杆(索)的受力达到材料的恒阻值，锚杆能够持续的发挥支护作用。

通过数值计算的结果分析，可以得出：NPR高预应力恒阻锚杆和锚索在巷道支护的初期提供的高预应力能够抵抗巷道的变形，并且随着巷道围岩变形的增大，NPR高预应力恒阻锚杆和锚索能够保持恒定的阻力，在持续的变形的过程中吸收和消耗围岩的变形能，巷道最终稳定时两帮位移和顶板下沉得到有效控制，而底脚锚管索有效的切断底板水平应力的传递，底臌得到很好的改善，NPR高预应力恒阻锚杆(索)+底脚锚管索的支护方法能使巷道的稳定性得到显著提高。

图5　围岩位移场分布图

图6　围岩应力场分布图

4工程应用效果

以南山矿东部区南部-120总回风巷为工程背景，在现场进行工程应用，采用三种方案进行支护：普通锚网索支护、U型钢支护和NPR恒阻锚杆(索)+底脚锚管索支护。为了验证对比各支护方案的支护设计参数以及其施工工艺的合理性，及时发现施工过程中的不安全因素，同时为了能够更好的优化设计参数及施工工艺，对巷道围岩表面位移进行监测，在普通锚网索支护段设置两组观测站(A测站和B测站)，在U型棚支护段设置两组观测站(C测站和D测站)，在NPR恒阻锚杆(索)+底脚锚管索支护段设置四组测站(1～4#测站)，现场测站的平面布置图如图7所示。

根据现场监测结果，分别绘制出各个测站的巷道顶底板位移和两帮位移时间曲线(图10、图11)。

图7　围岩塑性区分布图

图8　支护结构受力图

图9　现场施工及监测布置图

图10　各测站顶底板U-t关系曲线

图11　各测站两帮U-t关系曲线

由图10和图11可知，采用普通锚网索支护方案支护巷道，最终巷道两帮变形量约为1000mm，顶底板位移量约为800mm，其均远远超出了该巷道的允许变形范围，影响安全和正常生产；采用U36钢架壁后浇筑方案支护巷道，巷道两帮变形量约为680mm，顶底板位移量约为460mm，该变形量也超出了该巷道的允许变形范围，对安全和生产造成不利影响；而采用NPR恒阻锚杆(索)支护，巷道顶底板移近量约为190mm，两帮变形量约为140mm，均在允许变形的范围内，不会影响巷道的稳定性。

5结论

1)对南山煤矿东部区现场工程地质条件、现场软岩巷道工程支护条件以及支护的效果的综合分析可知，东部区在现有支护条件下，巷道变形破坏范围大，有顶板下沉量大、两帮变形严重且呈明显的不对称性、底臌的特征。

2)根据南山矿东部区软岩巷道变形破坏特征的分析，在对该区巷道软岩进行支护时，既要满足在巷道变形初期能阻止巷道围岩变形，也要满足能够持续性的吸收围岩释放出的巨大能量的材料，并且还要解决底臌严重的问题，现据此提出NPR高预应力恒阻锚杆(索)+底脚锚管索的巷道稳定性控制对策。

3)根据现场工程地质条件和围岩性质建立相应的工程地质力学模型，对NPR高预应力恒阻锚杆(索)+底脚锚管索控制对策进行数值分析，验证了该方案的合理性。

4)以南山煤矿东部区南部-120总回风巷为现场，同时对两种传统支护方式和新设计方案进行工程实践，通过实际监测，进一步验证了NPR高预应力恒阻锚杆(索)支护的合理性和可行性。

参考文献

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Study on constant resistance control measures of soft rock roadway in Nanshan Coal Mine

WU Yong-chun

(Hegang Mining Company，Longmay Mining Holding Group，Hegang 154100，China)

Abstract:Based on the engineering geological conditions and the engineering status of the eastern areas of Nanshan coal mine, this paper Summarize and analyze the characteristics of the region：in the large range of roadway deformation failure there are two sides of large amount of roof subsidence and serious drum-up of deformation of floor and obvious asymmetry，and come to a conclusion that when supported in the area of soft rock roadway we should not only meet at the beginning of the deformation of roadway can prevent deformation of roadway surrounding rock, also to satisfy to continuous absorption of the great energy release of surrounding rock materials, floor drum up. The way to resolve the serious problem that prestresses specially roadway stability control countermeasures is NPR high prestressed constant resistance bolt (anchor) + corner anchor. According to the site engineering geological conditions and surrounding rock properties of the corresponding engineering geological mechanics model is set up .Then verifies the correctness of support countermeasures by numerical simulation FLAC3D; finally uses two traditional support forms and the new support contrast at-120 roadway in Nanshan coal mine and detects the supporting effect, site monitoring results demonstrates the reasonableness of support programs.

Key words：soft rock roadway support；numerical simulation；deformation mechanism；NPR constant resistance high prestressed bolt

收稿日期：2015-07-16

作者简介：吴永纯(1962-)，男，1983年毕业于阜新矿业学院采煤工程专业，2012年7月毕业于中国矿业大学(北京)岩土工程专业，硕士研究生学历，工学硕士，高级工程师，现任黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司鹤岗矿业公司副总工程师。

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)06-0091-04