基于不稳定块体理论的巷道围岩精准支护研究

姚鸿基

(山西焦煤西山煤电集团股份有限公司 西铭矿,太原 030024)

1 工程概况

西铭矿42209工作面地面标高为1 592 m～1 431 m,工作面标高为990 m～1 106 m,2#煤层42209工作面体走向长度3 088 m,倾斜长度197 m。本文研究的巷道为单轨吊巷,位于工作面南侧,长3 137 m。

该巷道断面形式为矩形,宽3.8 m、高2.8 m,掘断面10.64 m2;顶板采用螺纹钢锚杆、W型钢带、锚索、金属网联合支护,顶锚杆打设在五眼钢带内,按间距0.8 m、排距1.0 m布置,锚索按两排花型布置,间距4.0 m,排距2.2 m;帮锚杆按两排三花布置,间排距确定为1.5 m×1.2 m,上排距顶板0.5 m，具体如图1和图2所示。

图1 工作面布置示意图Fig.1 Working face layout

图2 现有锚杆支护断面图Fig.2 Sectional diagram of bolt support

在现有支护参数条件下,巷道稳定性得到改善且效果较好,但支护密度大,成本较高,为了探究降低支护成本的措施,需对支护参数进行优化研究。

2 巷道围岩裂隙产状分析

巷道围岩的裂隙产状分布特征是影响岩体完整程度和发生片帮、冒顶等灾害的重要影响因素。裂隙的存在弱化了岩体的强度,破碎的岩体通常沿已有节理、裂隙等结构面发生滑落。因此对岩体裂隙产状信息的调查是评价围岩稳定性的重要基础。通过人工测量的方式对围岩进行结构面信息采集。

采用详细线观测法,借助罗盘、皮尺、钢卷尺、地质锤等工具对长度大于1 m结构面的倾向、倾角、间距和迹线长度进行详细测量,根据结构面的统计及分组情况,绘制出测点极点等效密度图(见图3)。可以确定所有结构面的倾向、倾角分布信息。优势产状为:202.35°∠80.53°,15.31°∠56.50°,88.02°∠60.48°。

图3 优势产状分布图Fig.3 Dominant occurrence distribution

根据现场采集结果,统计裂隙产状信息见表1。

表1 裂隙产状信息Table 1 Fracture occurrence

选取10 m长的巷道作为研究对象,根据围岩裂隙产状信息和巷道规格、走向等信息建立三维数值计算模型[1-5],模型中的岩块是由裂隙与开挖空间相切割而形成,如图4所示。

图4 巷道围岩块体分布特征Fig.4 Distribution characteristics of roadway surrounding rocks

根据模拟结果显示,没有支护条件下的巷道与围岩优势裂隙相互切割形成了4个岩石块体,其中位于顶板位置的8#块体和左帮的7#块体均处于不稳定状态,容易发生滑落。

3 支护作用下巷道稳定性研究

3.1 现有锚杆支护条件下巷道稳定性分析

根据锚杆布设参数进行巷道支护模拟,巷道支护效果图见图5。优化前的支护方案在支护后巷道围岩稳定性大幅提升,8#块体安全系数由0提高至22.1,7#块体安全系数由1.2提高至17.3。根据现有的支护参数与方案,巷道围岩可以保持稳定状态,且危险块体的安全系数较高,没有发生块体滑落的风险。但密集支护的方式同时增加了施工、材料和人工成本,增加了经济负担,因此对锚杆支护参数需要进行优化研究,在保证巷道稳定状态下,增加锚杆间排距,有效提高支护施工效率和降低经济成本,实现矿产资源地高效、安全、经济开采。

图5 巷道支护效果图Fig.5 Roadway support effect diagram

3.2 锚杆支护参数优化模拟研究

利用UNWEDGE程序建立巷道数值模型,模型断面尺寸与巷道一致,断面为矩形,宽3.8 m、高2.8 m,模型中结构体均为刚体,自身不会产生变形,仅在切割面处产生滑动变形。根据危险块体理论分析得知:巷道顶板或两帮围岩的变形及崩落是由多裂隙相互切割形成的不稳定块体造成。该段巷道顶板和两帮形成了3个岩块,其中顶板和左帮岩块处于不稳定状态。现有支护状态下的巷道块体稳定性结果表明:顶板的岩体在现有支护条件下安全系数超过了两帮岩体,而且巷道顶板和两帮的岩块安全系数均超过了15,安全稳定性较高。为了避免全断面密集支护方式造成的过度支护成本高、施工难度大等问题,需在准确定位不稳定块体位置的前提下,只针对不稳定块体其进行加强支护。

通过数值模拟计算可以得到,针对该段长度为10 m的巷道,顶板与两帮支护形式可进行调整，如图6所示,锚杆间排距1.5 m,顶板肩部锚杆倾角70°。调整后围岩的安全系数仍大幅提高,顶板不稳定块体安全系数为19.8,左帮不稳定块体安全系数为17.2,与矿山现有支护参数相比,调整后同一断面中,顶板减少两根锚杆,10 m长的巷道原设计共10排锚杆,调整后共7排,锚杆数量共减少29根。巷道围岩稳定性并没有降低的状态下,锚杆数量大幅减少,支护成本得到有效控制。

图6 调整后巷道支护示意图Fig.6 Roadway support diagram after adjustment

4 结论

通过现场监测探明巷道围岩裂隙分布特征,基于不稳定块体理论建立三维巷道与块体模型,以此提出了精准定位支护的方法。

1)巷道围岩裂隙的优势产状为:202.35°∠80.53°,15.31°∠56.50°,88.02°∠60.48°。裂隙与巷道开挖空间相互切割形成4个主要块体,其中位于顶板和左帮的岩块处于不稳定状态。

2)原有支护参数条件下,该段巷道的安全系数较高,块体均保持在稳定状态,但密集支护形式造成了支护成本高、施工难度大等问题。

3)通过对不稳定块体的定位,提出了精准定位支护的方法,锚杆的间排距调整为1.5 m×1.5 m,巷道围岩安全系数仍大幅提高,可有效保障巷道的安全稳定,同时10 m长的巷道锚杆数量减少29根。以围岩破碎状态为依据的精准定位支护有效提高了支护效果,并降低了支护成本,实现了安全和经济效益双赢。