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嘉禾浦溪井采动巷道破坏机理与支护优化研究

2024-11-01 54 上传者：管理员

摘要：针对嘉禾矿浦溪井2152底板巷围岩受采动影响变形破坏极难控制难题，采用现场调研、数值计算等方法，查找围岩变形破坏的主因；运用数值模拟方法，分析得出该底板巷两帮的塑性破坏大于顶底板、帮部锚杆锚固位置处于塑性区之内，锚杆容易出现失效现象，原支护方案亟待优化改进；拟定“以变形锚杆、金属网、喷浆、锚索、全断面注浆”的一体化支护方案，并通过数值模拟验证其支护技术的合理性。

关键词：
优化设计
支护技术
数值模拟
破坏机理
采动巷道
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顶板事故制约我国煤矿企业的安全高效生产，特别是在采动影响下，巷道易出现顶板下沉、漏顶、片帮及底鼓等现象[1-5]，有些巷道虽经多次扩刷、返修，但仍不能较好地控制巷道围岩变形破坏。因此，提出有效的巷道围岩稳定性控制技术，对保障矿井作业人员的生命和财产安全，实现高质量发展具有重要意义。国内外许多专家学者致力于巷道围岩破坏机理及控制技术领域的研究，尤其是受开采扰动影响的软岩巷道取得了丰硕的研究成果，如：王卫军等[6]揭示了采动环境下底板应力分布、扩展规律及其与围岩应力的关系，采动影响下底板巷道动力变形与破坏特性，提出“锚网索+注浆+底板锚索”的控制技术；娄金福[7]分析了巷道离层变形及支护体失稳特征，通过对不同条件下煤柱核心区域的弹性应变能进行比较，从而揭示动压巷道的变形破坏机制；任海强等[8]针对巷道变形规律及煤壁破坏区域进行研究，提出分层次注浆方法，确定了合理注浆时机；徐佑林等[9]结合现场巷道围岩钻孔窥视结果及理论计算获得的巷道塑性区破坏范围，提出浅部和深部注浆相结合的全断面双壳锚注加固支护技术。虽然上述研究成果在不同煤矿现场得到了成功实践，其经验可供借鉴并进行推广应用，但对于不同地质和开采条件的矿井，其巷道围岩强度和采取的支护技术有所差异，故应依据矿井实际条件展开分析研究，提出具有针对性的技术方案，这样才能保障巷道的安全使用。本文以嘉禾煤矿浦溪井2152底板巷为工程背景，拟采取现场调研、数值计算等方法，探讨采动影响下的巷道围岩破坏机理，并对支护参数进行优化，最后采用数值模拟验证支护技术的合理性。

1、工程概况

嘉禾矿浦溪井主采5煤层，采区内平均厚度为2.72 m，金属光泽，坚固系数为0.1～0.25。5煤层上覆岩层为砂质泥岩，粉砂岩及细砂岩；5煤层下部岩层为炭质泥岩，薄层状的细砂岩，老底为细-中粒砂岩，岩石普氏系数为4～5。在5煤层底板位置布置2152底板巷，主要用于抽采瓦斯，在回采过程中巷道围岩破坏严重，返修频繁，消耗了大量的财力和物力。

2、巷道破坏机理及稳定性控制研究

2.1 巷道围岩破坏机理

现场勘探成果表明，嘉禾矿浦溪井底板巷位于褶曲结构内，受开采扰动较大，导致巷道变形较大，出现两帮挤进、片帮、开裂及少量底臌。通过对围岩应力的环境状态、围岩所属性质等综合分析，得出造成巷道失稳的原因有以下四个方面：

(1）围岩所属的物理力学特性。5煤底板巷所处的底板为泥岩和砂质泥岩，其力学强度比其他岩体要低且抗变形能力弱，造成了巷道的综合承载力不足。

(2）动压巷道围岩蝶形破坏。对受采动影响的巷道来说，除围岩自身条件属性之外，采动作用的强烈程度是影响巷道围岩稳定性最关键的因素。巷道在受采动影响下，围岩应力环境会发生变化，通常表现为高偏应力的非均匀应力场，此时更易产生蝶形塑性区，如图1所示。

图1 动压巷道围岩蝶形塑性区

(3）区域构造与应力环境。勘探结果表明，2152采区底板巷不仅受到构造应力的影响，而且受到邻近工作面开采的强烈影响，导致巷道围岩的受力状况更加复杂，对围岩稳定的控制极为不利。

(4）巷道的支护设计针对性不强。通过对现场调查的分析，发现浦溪井底板巷原始支护方案的设计没有完全按照围岩塑性区发展规律进行设计，导致锚杆支护作用失效，不能给予围岩更高的支护阻力。

2.2 底板巷稳定性控制模拟分析

(1)2152底板巷数值模型及计算参数

通过调研和搜集资料，运用FLAC3D软件对2152底板巷展开研究。构建的模型尺寸为：90 m×90 m×25 m（高×长×厚）。具体模型如图2所示，经统计，有3 897 520个单元网格被生成，划分有3 787 520个节点。

模型的边界条件为:下边界：位移为零；左、右、前、后边界：水平构造应力；上边界：自由边界（地表）。在本次分析中，垂直应力取为12 MPa，水平应力取为8 MPa。

计算采用莫尔-库仑屈服准则。根据所提供的资料，确定围岩的力学参数，如表1所示。

图2 2152底板巷模型

表1 数值计算参数

(2）采动影响下的2152底板巷稳定性分析

工作面推进将引起煤层顶底板中应力重新分布，已经处于应力平衡状态的底板巷又受到工作面采动的影响，引起巷道周边应力重新分布。采用原支护方案模拟分析巷道的变形特征。

如图3、图4所示，从塑性区云图可以看出，受工作面采动的影响，在无支护条件下帮部塑性区达到2.1 m，出现帮部塑性区大于顶底板塑性区的现象。并且由于工作面采动的影响，巷道帮部围岩塑性区深部与是否存在支护并无太大关系，这是由于受工作面采动影响，帮部围岩容易进入塑性屈服状态，帮部锚杆的有效支护时间变短，很快出现锚杆失效现象。

如图5、图6所示，从应力集中云图也可以看出，巷道围岩应力集中较大的区域位于帮部，顶底板的应力集中较小。因此，帮部的塑性区深度大于顶底板塑性区。

如图7、图8、图9所示，从位移云图及监测点位移曲线可以看出，两帮的位移量最大，同时位移速率也最大。无锚杆支护条件下的巷道两帮围岩位移达到522 mm，采用原支护方案条件下的巷道两帮围岩位移达到506 mm。而顶板位移量较小。如图10所示，从支护阻力图可以看出顶部锚杆一直保持一个较大的支护阻力，锚杆支护作用良好，但帮部锚杆的支护阻力几乎为0，已经失去了支护作用。因此，需对原支护方案进行优化改进。

图3 采动无锚杆塑性区云图

图4 采动加锚杆塑性区云图

图5 采动无锚杆应力集中云图

图6 加锚杆应力集中云图

图7 采动无锚杆位移量、位移速率云图

图8 采动加锚杆位移量、位移速率云图

图9 采动影响下帮部位移

图1 0 采动原方案帮锚杆与顶锚杆支护阻力

3、支护优化

3.1 2152底板巷围岩扩修及支护方案设计

依据围岩破坏机理和支护原理可知，2152底板巷在控制两帮大变形以及满足安全与使用的基础上，需进一步对巷道整体进行加固与控制。基于软岩动压大变形巷道围岩控制原理，预留变形以及加固帮角与整体强化是支护方案设计中最重要的方法[10]。支护时不仅要考虑控制两帮的大变形，还要阻止高集中应力向巷道底角转移，改善顶板和总体的稳定性。因此，拟在全断面范围内，采取“预留变形、锚杆、金属网、喷浆、锚索、注浆、锚索、全断面注浆”的一体化支护方式，围岩的整体性和自身的承载能力得到增强。新支护方案设计如下：扩巷（保留500 mm变形）后，采用锚杆支护、金属网支护、顶板锚索支护、顶板锚固支护、锚网喷砼、全断面灌浆。

(1）锚杆支护参数设计

由于该巷道掘成时间较长，变形已经较大，且仍将受采动的影响，结合巷道原设计要求，确定扩巷断面预留变形的大小，将锚杆和金属网作为返修时的临时支护技术。

锚杆为22 mm×2 200 mm（直径×长度）、材质为BHRB500的左旋无纵筋螺纹钢锚杆。锚固剂为K23350树脂锚固剂，每根锚杆选用三卷锚固剂，其锚固力≥70 kN，锚杆间距为700 mm，锚杆排距为700 mm。金属网为φ6 mm，其网格长宽为100 mm×100 mm，规格为1 000 mm×800 mm。金属网间交接处要有锚杆，且与岩面紧贴，网间搭接长度≥100 mm。喷射强度为C20的混凝土，厚度为100 mm。采用钢板制成直径150 mm、厚度10～15 mm的圆形托盘。底角锚杆应向下倾斜30°安装。全断面支护如图11所示。

图1 1 锚杆支护断面

(2）锚索支护参数设计

依据2152底板巷的地理环境、扰动影响、矿压特征，针对围岩锚索支护，采用两种不同的锚索支护方式，具体参数说明如下：

巷道顶部锚索采用柔性吸能锚索，其规格为φ17.8 mm×6.0 m，间、排距为1 200 mm×1 400 mm。锚固端采用树脂锚固，其锚固长度为1 600 mm。5卷Z2840型树脂药卷锚固一根锚索，其锚固力≥100 kN。锚索托盘为两块可压缩性垫板叠加的装置，其形状为正方形，小垫板的规格为150 mm×150 mm×10 mm，大垫板的规格为350 mm×350 mm×10 mm，安装时大（小）垫板在上（下）。锚索支护如图12所示。

锚索角度按设计进行安装。帮部每两根锚索作为一组并采用梯子梁连接，形成一个整体，控制松散围岩的进一步变形。

图1 2 锚索支护断面

(3）注浆组合锚索支护参数

两帮采用每组由4根φ17.8 mm×6 000 mm的钢绞线组合成的注浆组合锚索，其间排距为1 200 mm×1 400 mm。注浆组合锚索容许外露最大长度为0.5m。利用16 mm钢板、20 mm槽钢焊接成锚索盘，其中钢板长度为0.4 mm、槽钢长度为0.5 m，锚索盘上钻4个φ18 mm孔，其孔间距与注浆组合锚索锁具孔间距一致。采用4×φ18 mm高强铸铁组合锁具作为注浆组合锚索锁具。

(4）全断面注浆设计参数

为提高2152底板巷软岩动压巷道围岩的强度、整体性，支护设计为浅孔加压注浆，具体注浆参数如图13所示。巷道帮、顶部进行浅孔注浆，沿巷道断面布置注浆孔，5个孔一个循环布置，顶板正中间一个，两帮各两个，孔间排距1.5 m×3.0 m、孔深2.0 m，施工钻头孔径φ47 mm。注浆管为φ42 mm无缝钢管加工制作，其长度为2.0 m，并在注浆管外缠上一定厚度的棉线，封孔长度最小为300 mm，以固定注浆管。注浆材料为水泥单液浆。

图1 3 注浆方案

3.2 2152底板巷新支护方案效果数值分析

为更好地控制2152底板巷围岩变形，根据底板巷的破坏机理，提出优化的支护方案，利用三维地质模型验证其支护效果。通过计算，采用新方案对2152底板巷围岩进行支护后，得到其围岩的塑性区、应力和位移分布云图如图14、图15、图16、图17所示。

从巷道围岩塑性区分布云图可以看出，巷道帮部围岩的塑性区深度为1.1 m，仍然较大，但远远小于原方案的2.9 m，这表明新方案对塑性区的深度控制效果明显，可对巷道围岩的稳定性进行有效控制。

从围岩位移云图可以看出，巷道顶部最大位移为79 mm，其帮部最大位移为92 mm，同原方案比较，围岩的位移量变小，可见该方案缩小了巷道围岩的位移，且巷道支护较为完整，两帮及顶部的锚杆锚索都未失效。

从图16可知，巷道应力较为集中的区域为两帮，新方案巷道两帮应力集中程度小，表明新支护方案围岩控制效果较好，岩体整体稳定性得到进一步加固。

图1 4 新方案塑性区及锚杆应力分布云图

图1 5 新方案位移云图

图1 6 新方案应力集中云图

图1 7 帮部及顶部位移曲线

4、结语

经过现场调研、勘查，2152底板巷因受水平构造应力场作用和采动影响，且支护设计针对性不强，导致巷道变形严重。通过分析2152底板巷原支护方案，得出两帮的塑性破坏大于顶底板，帮部锚杆锚固位置处于塑性区之内，锚杆容易出现失效现象，需优化巷道支护设计。对2152底板巷采取“预留变形、锚杆、金属网、喷浆、锚索、注浆组合锚索、全断面注浆”的综合支护方式，并对支护参数进行了优化，最后采用数值模拟方法进行了验证。

参考文献:

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[10]褚文强.复杂赋存煤体下底板巷道破坏机理与支护优化[D].湖南科技大学,2022.

文章来源:龙州进,舒仕海,苏小伟.嘉禾浦溪井采动巷道破坏机理与支护优化研究[J].江西煤炭科技,2024,(04):12-16.