大傾角松軟厚煤層巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

楊仁樹，朱衍利,2，吳寶楊，郭東明，王雁冰，韓朋飛

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.山西大遠(yuǎn)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 035100)

煤炭作為我國的主要能源，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的戰(zhàn)略地位。在我國礦井中，大傾角松軟煤層儲(chǔ)量豐富、分布范圍廣，現(xiàn)已形成規(guī)模開采。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在全國統(tǒng)配煤礦和重點(diǎn)煤礦中，開采大傾角煤層的礦井?dāng)?shù)約占六分之一[1-3]。大傾角松軟煤層巷道，由于煤層傾角較大，巖石重力作用方向與巖石層理面方向所成的夾角變小，重力沿層理方向的作用力大大增加，這就使圍巖移動(dòng)、頂板冒落的形態(tài)以及巷道變形和支架受載的特征具有新的特點(diǎn)，其對(duì)巷道的支護(hù)效果要求更高。巷道支護(hù)效果的好壞與巷道斷面形式是分不開的，巷道斷面形式的不同，對(duì)巷道變形、支護(hù)的受力等影響就更大[4-6]。因此，研究這種復(fù)雜條件下，煤層巷道的合理斷面形狀和支護(hù)方式具有實(shí)際意義。就國內(nèi)外的研究情況來看，大傾角煤層平巷掘進(jìn)雖然進(jìn)行了一定研究與試驗(yàn)，但相關(guān)文獻(xiàn)較少，尤其是斷面形狀對(duì)大傾角煤塵巷道穩(wěn)定性的影響，缺乏系統(tǒng)而深入的研究。因而，將斷面形狀優(yōu)化、錨網(wǎng)支護(hù)理論和技術(shù)有效地應(yīng)用于大傾角厚煤層這類復(fù)雜條件下巷道掘進(jìn)的支護(hù)實(shí)踐，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義[7-10]。本文擬通過FLAC3D數(shù)值分析軟件，研究不同巷道斷面形狀對(duì)巷道四周受力及變形的影響，并對(duì)巷道斷面進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得能較好適應(yīng)于大傾角軟巖或高地應(yīng)力條件的巷道斷面，以期有效控制巷道的變形，提高支護(hù)效果。

1 工程概況

井田整體地質(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)造，煤層走向北東20～30°，傾向北西，傾角40°。巷道布置在2號(hào)煤層，上距K3砂巖3～5m，下距L3石灰?guī)r30～50m。煤厚0.40～11.25m，平均7.13m屬厚煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含夾矸，頂板為泥巖及砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，此煤層屬全井田基本可采的較穩(wěn)定煤層。煤巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc為1.00～1.20MPa，平均值Rc為1.118MPa。煤巖的定性特征和定量指標(biāo)均表明，該煤質(zhì)屬極軟煤[11]。該礦井最大主平應(yīng)力與水平方向的夾角平均為14.5°，最大主應(yīng)力大小為豎直應(yīng)力的1.04～1.38之間，礦井的地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，巷道在傾向上與最大水平應(yīng)力具有一定的夾角，對(duì)巷道破壞造成一定的影響。

2 數(shù)值模擬研究

FLAC3D程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，特別適用于分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)以及模擬大變形。連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法(Fast Lagrangiananalysis of Continua)，是近年來逐步成熟完善起來的新型數(shù)值分析方法。在采礦工程中，許多學(xué)者利用FLAC 軟件對(duì)采礦過程中，圍巖活動(dòng)規(guī)律及巷道圍巖穩(wěn)定性問題涉及到的巖體力學(xué)特性、圍巖壓力、支護(hù)圍巖相互作用關(guān)系及巷道與工作面的時(shí)空關(guān)系等一系列復(fù)雜的力學(xué)問題，進(jìn)行了系列研究，取得了顯著的成果[12-13]。因此，本文采用FLAC3D大型數(shù)值分析軟件，對(duì)巷道的不同的支護(hù)方式、斷面形狀時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，對(duì)比在不同方案下，巷道圍巖的位移變形情況、應(yīng)力分布情況、塑性區(qū)分布情況等，以確定最佳方案。

2.1 設(shè)計(jì)方案及比較

根據(jù)巷道的用途和服務(wù)年限、礦山壓力和巖石的物理學(xué)性質(zhì)、巷道的支護(hù)形式和支護(hù)材料、施工技術(shù)及其裝備情況，選取三種斷面形狀形式進(jìn)行模擬分析。如圖1所示。

圖1 巷道斷面

三個(gè)方案分別為：梯形斷面+架棚支護(hù)；直角梯形斷面+錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)；直墻圓拱形斷面+錨索網(wǎng)鋼帶支護(hù)。從受力方面分析：方案二有明顯的缺點(diǎn)，上幫尖角處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，有可能產(chǎn)生大變形導(dǎo)致巷道的失穩(wěn)；相比方案二，方案三的馬蹄形斷面受力好得多，圍壓可以沿巷道周邊分散，在一定程度上可以有效的防止應(yīng)力集中造成的大變形；方案一，頂板暴漏面積較小，可減少頂壓能承受稍大的測(cè)壓。在掘進(jìn)方面：方案一、二占有明顯的優(yōu)勢(shì)，梯形斷面好掌握尺寸，斷面課輕松掘出，架棚子、掛網(wǎng)和安設(shè)錨桿、錨索都沒有太大的難題；而方案三的斷面比較難掘出，弧形斷面不好把握，另外，鋼帶也要加工成有一定弧度。但從返修率來說，方案三還是有優(yōu)勢(shì)的，大量的工程實(shí)例說明，直墻圓拱斷面的返修率遠(yuǎn)小于梯形斷面。以下通過應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)以上三個(gè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以確定最利于巷道穩(wěn)定和力學(xué)效應(yīng)的方案。

2.2 模型建立

考慮模型尺寸為巷道寬度3～5倍影響范圍，模型尺寸為40m×25m×30m。程序中，為了減少因網(wǎng)格劃分引起的誤差，網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比不大于5，對(duì)于重點(diǎn)研究區(qū)域，可以進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。本次模擬分析所用的模型網(wǎng)格數(shù)目，大致都在1200個(gè)單元網(wǎng)格。綜合考慮計(jì)算的速度和精確度，巖層的網(wǎng)格尺寸要大于煤層的網(wǎng)格尺寸。對(duì)于需要開挖或者支護(hù)的工程，在建模過程中先進(jìn)行規(guī)劃，調(diào)整網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，安排開挖以及支護(hù)的位置等，然后根據(jù)實(shí)際工程確定本構(gòu)關(guān)系，給模型賦以相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，見表1所示。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

模型的邊界條件，包括位移邊界和應(yīng)力邊界兩種。模型邊界的處理方法是：左右邊界只約束x方向上的位移，前后邊界只約束y方向上的位移，即單約束邊界；下部邊界為全約束邊界；上部邊界不約束，為自由邊界；模型的垂直壓應(yīng)力，按巷道上覆巖體的自重考慮，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，巖體的垂直應(yīng)力為6.75MPa，巖體的水平應(yīng)力為13.36MPa。其中，圍巖的楊氏模量為18GP，泊松比為0.18。煤層的楊氏模量為2.6GP，泊松比0.14。模型見圖2所示。

2.3 模擬情況及分析

利用彈性本構(gòu)模型，對(duì)計(jì)算模型施加重力加速度，在小變形模式下運(yùn)算至平衡后，得到計(jì)算模型的初始應(yīng)力狀態(tài)。然后，將模型設(shè)為庫倫摩爾模型，運(yùn)用Apply命令，在模型四周表面施加上原巖應(yīng)力，運(yùn)算至塑性平衡狀態(tài)。再將模型位移置零，對(duì)巷道進(jìn)行全斷面一次開挖，然后建立適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)單元模擬相應(yīng)的巷道支護(hù)方式，運(yùn)算至平衡后，監(jiān)測(cè)到巷道的最大不平衡力、豎直方向上的位移分布圖、水平方向上的位移分布圖、塑性區(qū)分布圖以及最大主應(yīng)力分布圖。

圖3反映了巷道開挖后的最大不平衡力的變化過程。從曲線可以看出：方案一中，巷道最大不平衡力達(dá)到了16.73MPa，運(yùn)算至9680時(shí)步趨于穩(wěn)定；方案二中，巷道最大不平衡力達(dá)到了10.83MPa，運(yùn)算至16060時(shí)步趨于穩(wěn)定；方案三中，巷道最大不平衡力達(dá)到了最大值10.5MPa，運(yùn)算至12940時(shí)步趨于穩(wěn)定?？梢姺桨溉谀Ｐ瓦_(dá)到平衡過程中顯現(xiàn)的最大不平衡力最小，即最不易失穩(wěn)。這里需要指出的是，力平衡狀態(tài)僅表示所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的合力為零，并非表明體系處于真實(shí)的物理平衡狀態(tài)，因?yàn)樵诹ζ胶鉅顟B(tài)下，體系也有可能正在發(fā)生穩(wěn)定的塑性流動(dòng)。

圖2 各方案模型圖

圖3 巷道最大不平衡力監(jiān)測(cè)圖

圖4為放大100倍后的巷道圍巖，在豎直方向和水平方向上的位移分布云圖。從圖4(a)可看出，梯形斷面巷道在采用工字鋼架棚的支護(hù)方式下，巷道頂板沉降量較大，整個(gè)模型的最大沉降量為11.83mm。水平變形方面，各點(diǎn)的位移量均不大，整個(gè)模型的最大水平位移為3.9mm。由圖4(b)可以看出，直角梯形斷面巷道在采用錨網(wǎng)索+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)方式下，巷道左幫上角沉降量較大，最大沉降量為34.47mm，底板有輕微鼓起，大約在5mm左右，距巷道的巷幫及頂?shù)自浇瑖鷰r的水平位移越大，巷道右?guī)退轿灰屏枯^大，最大水平位移量為32.03mm。圖4(c)反映了直墻圓拱形斷面的巷道變形情況，豎向變形方面可看出巷道左幫上角沉降量較大，為7.57mm，底板右下角有輕微的鼓起，大約在4mm左右。巷道左下角和右上角的水平位移較大，都在3mm左右，只是二者的位移方向相反；另外，不論是垂直位移量還是水平位移量，都比前兩者方案較小。

圖4 不同方案的巷道圍巖變形云圖

圖5為巷道豎直、水平方向上的應(yīng)力分布圖。從圖5(a)可看出，采用錨網(wǎng)索+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)方式下，模型中豎直方向上的應(yīng)力最大為71MPa，在模型左下角出現(xiàn)應(yīng)力集中。巷道周圍應(yīng)力最大處發(fā)生在左下幫，約為20MPa。從圖5(b)可看出，巷道四周的水平應(yīng)力均較小，模型中的最大應(yīng)力發(fā)生在左上角，最大值為12MPa，巷道周圍應(yīng)力較大處發(fā)生在左底腳，約為5MPa，與前兩者方案相比相比應(yīng)力絕對(duì)值較大，但是應(yīng)力集中的現(xiàn)象較輕，有利于巷道及支護(hù)的穩(wěn)定性。

FLAC中設(shè)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，而圍巖的抗壓強(qiáng)度一般遠(yuǎn)大與抗拉強(qiáng)度，巷道的穩(wěn)定性主要取決于最大主應(yīng)力的大小和方向。圖6為巷道圍巖最大主應(yīng)力分布圖，由圖6可見：方案一中，最大主應(yīng)力為1.3MPa；方案二中，最大主應(yīng)力為1.2MPa；方案三中，最大主應(yīng)力為2.0MPa。易見方案三比方案一、二稍大。

圖5 巷道圍巖應(yīng)力云圖

圖6 巷道圍巖最大主應(yīng)力分布云圖

綜合以上分析可見，雖然在應(yīng)力方面方案三的巷道圍巖各應(yīng)力值相對(duì)前兩個(gè)方案較大，但是由于直角圓拱形斷面的尖角較少，應(yīng)力集中效應(yīng)相對(duì)前兩方案也相對(duì)較小，因此巷道圍巖的變形量較小(表2)，也不易發(fā)生脆性破壞。

表2 方案變形量比較表

3 工程應(yīng)用

為驗(yàn)證以上數(shù)值模擬的結(jié)果，在1201回風(fēng)巷道施工中，分段采用以上三種方案，分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并進(jìn)行了礦壓觀測(cè)，在巷道內(nèi)布置礦壓測(cè)站6個(gè)，測(cè)站的間距為40m。截至2009年8月16日，方案一的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為：各觀測(cè)點(diǎn)的平均頂?shù)装逑鄬?duì)移近量為102mm，兩幫相對(duì)移近量為78mm；方案三的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為：個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均頂?shù)装逡平?3mm，兩幫移近量為21mm；方案二施工中，出現(xiàn)較大變形甚至垮落，故不再進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。由此可見，巷道表面變形量與數(shù)值分析結(jié)果基本吻合，說明了方案三比方案一、方案二在控制表面變形具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

通過對(duì)杜家村煤礦1201回風(fēng)巷道三種不同斷面布置形式、支護(hù)方式進(jìn)行的數(shù)值模擬分析試驗(yàn)可知，錨網(wǎng)索+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)形式下，直墻圓拱形巷道整體變形量較小，應(yīng)力集中效應(yīng)較輕，該方案更適合大傾角松軟煤層巷道的開挖支護(hù)。

結(jié)果表明，大傾角煤層巷道采用矩形或斜梯形斷面受力情況不好，支護(hù)效果差，巷道變形量大，易導(dǎo)致巷道支護(hù)失效；而采用直墻切圓拱或直墻半圓拱斷面，在對(duì)巷道受力大的部位，如巷道的上幫頂角和下幫底角采取加強(qiáng)支護(hù)等措施后，可解決大傾角巷道的支護(hù)問題。

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