东大矿大断面软岩巷道围岩控制技术研究与应用

2021-09-16成小勇

煤 2021年9期

成小勇

(晋能控股煤业集团恒源公司，山西晋城 048006)

1 工程概况

山西沁东能源有限公司东大矿中央进风大巷井+25.95～+125.226 m，工作面西北方向中央回风大巷(正掘)，西南方向矸石存车线(已掘)、溜矸斜巷(未掘)、+120井底车场(主、回贯通措施巷)(已掘)，东南方向胶轮车存车硐室(未掘)、中央辅运大巷(正掘)。中央进风大巷布置在泥岩和砂质泥岩中，岩层内节理裂隙发育，属于软弱-半坚硬类，且巷道掘进区域小构造相对发育，巷道断面为半圆拱形，断面净宽×净高=5.0 m×4.2 m，属大断面，现为保障巷道围岩的稳定，基于类似工程背景，拟采用锚网喷支护。为保障各项支护参数合理，确保支护效果，特进行巷道支护方案设计。

2 锚网索支护参数分析

2.1 支护方案优选

为有效确定巷道锚网索合理的支护参数，通过采用FLAC3D数值模拟软件进行不同支护方案的对比分析，基于中央进风大巷的地质条件，建立数值模型长×宽×高=50 m×50 m×50 m，模型底部边界固定，上部边界施工等效荷载，左右边界限制在X轴方向的位移[1-3]。结合邻近巷道掘进施工时的现场工程经验，设计3种方案进行对比分析，具体模拟方案见表1。

表1 模拟方案

根据数值模拟结果，具体进行不同支护方案下围岩变形特征、围岩应力特征和塑性区分布特征的分析，具体如下：

1) 围岩变形特征：根据数值模拟结果，得出巷道不同支护方案下围岩水平和垂直位移分布，如图1所示。

图1 不同支护方案下围岩变形分布等值线

分析图1可知，巷道在采用支护方案一时，巷道顶板下沉量为210 mm，左右两帮变形量为460 mm；巷道采用支护方案二时，顶板下沉量为170 m，巷道左右两帮变形量降低为分别降低为280 mm和290 mm，围岩变形量呈现一定幅度的降低，但围岩整体变形量仍较大；当巷道采用方案三进行支护时，巷道顶板下沉量降为99 mm，左右两帮变形量分别降为130 mm和131 mm，围岩变形降幅显著，围岩变形量产生较大幅度降低的主要原因为锚索长度增大、间排距缩小后，充分锚固在顶板细粒砂岩稳定岩层内，锚固效果显著，提升了顶板的主动支护能力，另一方面，巷道锚杆间排距的缩小，提升了浅部围岩破碎围岩体的整体性。

2) 围岩应力分布特征：根据数值模拟结果能够得出巷道在不同支护方案下围岩垂直应力分布等值线图，如图2所示。

图2 不同支护方案下围岩垂直应力分布云图

分析图2可知，巷道在采用方案一进行支护时，巷道两帮及顶底板深部存在着较大的应力集中现象，顶部2～3 m的范围内存在1个拱形应力降低区，顶底板及两帮在巷道3 m深度处达到原岩应力；在采用方案二进行支护时，在巷道表面2～3 m处围岩应力达到原岩应力，巷道顶部1～2 m的范围内存在1个应力降低区域，且随着巷道围岩深度的增大，围岩在深部的应力集中现象逐渐增大，相较于方案一，巷道底板两底角处的应力集中呈现出一定程度的降低；巷道采用支护方案三时，巷道两帮在2～3 m的位置处达到原岩应力，顶板上部2 m范围内为应力降低区，相较于方案一和方案二，巷道底板围岩的浅部应力增高区域降幅明显，围岩应力分布均匀。

综合上述围岩变形及应力分布特征分析，确定巷道合理的支护方案应选择方案三。

2.2 锚杆索锚固参数分析

1) 锚杆锚固参数：根据本次巷道支护方案中，锚杆采用D22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆的锚固参数计算公式如下[4-5]：

Fc100=0.1π·dh·τc
Fs100=0.1π·dh·τs

(1)

式中：Fc100为煤岩体内每100 mm孔长的锚固力；Fs100为树脂锚固剂每100 mm孔长的锚固力；τc为煤岩体的抗剪强度；τs为树脂锚固剂的抗剪强度；dh为锚杆孔直径。根据巷道地质条件，确定τc=1.14 MPa，dh=28 mm，τs=6.5 MPa。据此计算得出锚孔的锚固力为10 kN，树脂锚固剂锚固力为57.1 kN。

巷道顶板及两帮锚固长度计算公式如下[6]：

(2)

式中：l锚固为锚杆的锚固长度；Q为锚杆锚固力；计算得出顶板和两帮的锚固长度分别为1 000 mm和900 mm。确定本次锚杆支护采用Z2350型中速树脂锚固剂，为方便施工，确定顶板及两帮锚固长度均为1 000 mm。

2) 锚索锚固参数：本次巷道锚索采用D22 mm×8 300 mm的1×7股钢绞线，根据锚索型号，确定锚索设计荷载为256 kN，锚索锚固长度计算公式如下：

(3)

式中：La1和La2均为锚索锚固长度；K为安全系数，取1.5；n为锚索根数，取1；d为钢绞线直径，取22 mm；D为钻孔直径，取28 mm；fa和fb分别为锚索与锚固剂的粘结强度及树脂与孔壁的粘结度，fa=10 MPa、fb=3 MPa。取La1和La2计算结果的最大值为锚索锚固长度，基于计算结果确定锚索锚固长度为1.5 m。

3 围岩控制技术

3.1 支护方案

根据中央进风大巷具体地质条件，结合锚杆索支护参数分析结果，确定巷道采用锚网喷支护，具体支护参数如下：

1) 锚杆参数：锚杆采用杆体为D22 mm左旋无纵筋超高强度螺纹钢锚杆，长度2 400 mm，杆尾螺纹为M22，型号为MSGLW-500/22×2 400(简称：超高强度锚杆)。锚固方式为树脂加长锚固，锚固长度为不小于1 000 mm，锚杆间排距800 mm×800 mm，顶部及拱部锚杆共11根。帮锚杆：两帮各布置2根锚杆，起锚高度不大于400 mm，锚杆布置时均垂直于岩体打设；预紧力矩不小于400 N·m。

2) 锚索参数：采用型号均为SKP22-1/1860-8 300 mm的高强度低松弛预应力钢绞线，锚索与顶板岩面角度为90°，每排布置3根锚索，间排距为1 600 mm×1 600 mm，沿拱部中心线对称布置；锚索锚固方式采用树脂端式锚固，锚固长度1 500 mm，预紧力不小于290 kN。

3) 网片规格及参数：巷道采用钢筋网片进行护顶，网片规格型号为GW6.5/100-3 000×1 100，采用直径为6.5 mm的钢筋焊接而成，网片规格为(长×宽)=3 000 mm×1 100 mm，网孔规格100 mm×100 mm。网与网之间采用勾接形式连接，勾接长度100 mm。

4) 喷混凝土参数：巷道喷射混凝土的厚度为150 mm，混凝土干料配合比为：水泥∶石子∶黄沙=1∶2∶2(重量比)，水灰比=0.45，混凝土标号C25。水泥、石子、黄沙采用体积比进行混配，速凝剂掺合量为水泥重量的6%.

5) 巷道铺底：铺底厚度为150 mm，混凝土强度等级为C30。

具体中央进风大巷支护参数如图3所示。

图3 中央进风大巷支护断面(mm)

3.2 效果分析

中央进风大巷掘进期间，在巷道掘进迎头位置区域设置围岩变形观测点，围岩变形观测采用十字布点法，根据观测结果绘制出围岩变形曲线，如图4所示。

图4 巷道掘进期间围岩变形曲线

分析图4可知，中央进风大巷掘进期间，围岩变形量主要出现在巷道掘出后的0～25 d内，当巷道掘进25 d后，围岩变形速率大幅下降，巷道掘出30 d后，围岩达到稳定状态，顶底板及两帮变形量均不再变化，最终顶底板及两帮移近量的最大值分别为52 mm和75 mm，由于巷道高度较大，两帮围岩存在部分处于软弱泥岩层内，故而导致两帮围岩变形量大于顶底板移近量。综合上述分析可知，巷道在现有支护方案下，围岩处于稳定状态。