高应力条件下软岩巷道支护参数研究

2020-04-15王国彪

机械管理开发 2020年11期

王国彪

（山西煤炭运销集团能源投资开发有限公司，山西太原 030000）

引言

随着煤炭的不断开采，我国煤炭的开采环境逐渐向着深部埋深的方向发展，因此，我们所面临的开采难度也变得越来越大。随着埋深的增加，巷道顶板所承受的应力也逐渐增大；同时，深部煤层往往伴随着高热条件，致使巷道围岩强度下降，力学性质也受到不同程度的影响。对于深部煤炭的开采，往往会面临着应力水平大、煤炭环境复杂的问题，而较高的应力水平会导致巷道变形量大、巷道围岩稳定性相对较差、巷道维护困难等问题。因此，研究高应力水平条件下的软岩巷道维护问题显得尤为重要。

高应力水平下的软岩巷道存在支护难度大的问题，并且由于巷道所受应力水平较高，在后期的维护过程中巷道往往需要多次的反复维护[1]，同时支护材料的费用较高，使得软岩巷道维护的花费巨大。软岩巷道特殊的变形特征使得其在后期的使用过程中会频繁出现顶板岩层的离层、片帮及底鼓现象，致使巷道的安全隐患增大[2]，解决软岩巷道的支护问题显得尤为重要。因此，本文借助Flac 软件针对某矿巷道中的高地应力条件下的软岩巷道支护参数进行了数值模拟研究，对比不同参数下的支护效果，从而为高应力条件下的巷道支护参数的确定提供科学的依据。

1 工程背景

井田内煤层总厚度约为292 m，共含煤层为48层，煤层厚度为0.91～3.04 m 不等，可采煤层数为7层，现开采的煤层中的煤质以焦煤和肥煤为主要煤种，煤层倾角为11°～27°，顶底板岩性以泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩等力学性质较软的岩石居多。本文的研究对象为13 号煤层的运输上山巷道，其两侧为已采空的14 号和12 号煤层，巷道埋深为780 m。由于采动影响及上覆岩层重力的叠加效应导致上山巷道变形严重，巷道所处位置应力高达25 MPa，且巷道围岩岩性均属软岩，因此该巷道属高应力条件下的软岩巷道。

2 模型建立

考虑到软岩巷道在高应力条件下破坏严重的位置主要发生在尖端，因此在建立模型时考虑将巷道分别设为圆形、马蹄形、半圆拱形；巷道原有支护方式为锚杆锚索加喷浆加U 型钢的形式，为改善支护效果，提出锚杆索加灌浆和U 型钢的支护方式，两帮锚杆Φ22 mm×1 600 mm，顶部采用Φ22 mm×2 400 mm、间距800 mm×800 mm，锚索采用Φ21.6 mm×L5 000 mm、间距为1200 mm×1 200 mm，灌浆厚度为550 mm。围岩力学参数、支护参数及U 型钢参数见表1—表3，其边界条件的施加见下页图1。

3 结果分析

为分析巷道断面形状以及支护形式对于巷道维护的效果分析，分别对三种巷道断面情况下的水平及垂直位移进行对比分析。

通过对比分析下页图2—图4 中三种断面巷道无支护时的竖直方向位移可知，对于高应力软岩巷道，无论选取何种巷道断面形式，在无支护情况下其顶板下沉量相差不大，因此在巷道开挖后均应及时支护；图2—图4 中三种断面形式的巷道在采用锚杆索+喷浆+U 型钢的支护方式使得顶板下沉量得到了明显的改善，但半圆拱型巷道的底鼓量缺明显高于另外两种形式，其原因在于半圆拱巷道未对底板采取反拱底结构加U 型钢，致使底板位移量变大[3]；采用锚杆索+灌浆+U 型钢的支护方式相比于前者能够更好的控制顶底板的位移量，获得较好的支护效果。值得说明的是，半圆拱形巷道相比其他两种巷道底鼓量依旧最大。

表1 岩层力学参数

表2 锚索锚杆参数

表3 U 型钢支架力学参数

图1 边界条件施加示意图

图2 圆形巷道两种支护方式下垂直变形

图3 蹄形巷道两种支护方式下垂直变形

图4 半圆拱形巷道两种支护方式下垂直变形

通过下页图5—图7 可知，三种断面巷道在无支护条件下圆形巷道的两帮位移量最大约为200 mm，蹄形巷道及半圆拱形巷道水平位移相差不大，为150～160 mm；采用锚杆索+喷浆+U 型钢进行支护后，三种巷道断面两帮变形量均得到改善，其变形量约为未支护时的1/3。三种巷道采用锚杆索+灌浆+U 型钢的方式进行支护后，两帮位移量显著减小。圆形巷道位移量仅为8 mm，蹄形和半圆拱形为15 mm 和12 mm；通过分析两帮位移分布可知，圆形巷道两帮变形量最小，巷道两侧围岩产生变形的范围较小，能够很好的保持两侧围岩的原岩应力状态；距离巷道一定范围内的围岩变形中，蹄形巷道两侧围岩变形相比半圆拱形两侧围岩变形较为协调，高应变集中区域较小，但变形量相比半圆拱形要大。