丁集礦1262(1)運(yùn)輸順槽錨桿支護(hù)數(shù)值模擬分析

趙一鳴

丁集礦1262(1)運(yùn)輸順槽錨桿支護(hù)數(shù)值模擬分析

趙一鳴

(中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院;中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

本文以丁集煤礦1262(1)工作面運(yùn)輸順槽為研究對(duì)象，為確定合理的錨桿支護(hù)參數(shù)，采用FLAC2D4.0模擬分析了不同錨桿長度、不同頂板錨索個(gè)數(shù)以及幫部支護(hù)是否采用錨索梁對(duì)巷道穩(wěn)定變形的影響。研究結(jié)果表明，對(duì)于類似深部巷道只有通過加長錨桿長度、增加頂板錨索數(shù)量和強(qiáng)化幫部控制，繼而達(dá)到加大錨桿錨固區(qū)范圍，提高巷道頂板承載能力和圍巖完整性的目的，才能實(shí)現(xiàn)深部巷道的長期穩(wěn)定。

錨桿支護(hù);數(shù)值模擬;幫部;錨索

1 工程概況

丁集礦井位于安徽省淮南市西北部，距淮南市洞山約50 km，行政區(qū)劃隸屬淮南市潘集區(qū)和鳳臺(tái)縣境內(nèi)。1262(1)工作面地面標(biāo)高 +22.73～ +23.38 m，工作面標(biāo)高－840～－895 m，走向長2 677 m，傾斜長253 m，鉆孔及實(shí)見揭露11－2主采煤層煤厚為1.2～3.37 m，平均厚2.6 m，煤層傾角0 ～6°，平均3°，由東北向西南煤層有增厚趨勢(shì)。頂?shù)装甯靼l(fā)育一薄煤層，分別為11－3煤和11－1煤。煤層頂?shù)装迩闆r見表1，正常掘進(jìn)受煤層老頂砂巖和底板第一層砂巖兩個(gè)含水層的影響，圍巖強(qiáng)度較低，巷道開挖后形成的圍巖塑性區(qū)較大。

2 模型建立及模擬方案

該巷道曾采用U型棚支護(hù)及普通錨桿支護(hù)，支護(hù)效果均較差，無法保證巷道正常通風(fēng)及行人斷面，同時(shí)U型棚支護(hù)影響后期工作面的快速高效回采，必須改用“三高”錨桿進(jìn)行支護(hù)［1－4］。已有的現(xiàn)場(chǎng)施工顯示，11－2主采煤層的2.7 m厚的直接頂及11－3煤線松散破碎，開挖后無自穩(wěn)能力，隨掘隨冒，因此巷道頂板需沿11－3煤層頂板布置，見圖1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r描述表

2.1 模型建立

采用FLAC2D4.0有限差分軟件對(duì)巷道圍巖特征進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定合理的支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)［5－6］。首先以1262(1)運(yùn)輸順槽圍巖覆存條件建立對(duì)應(yīng)的數(shù)值分析模型，如圖2所示，模型頂部采用應(yīng)力約束，左、右及底部采用位移約束。選取的巷道圍巖的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖1 巷道斷面掘進(jìn)層位示意圖

表2 煤巖體力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬模型圖

2.2 模擬方案

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及類似巷道支護(hù)參數(shù)，決定采取如下的模擬方案：

方案1：比較不同長度錨桿的支護(hù)效果，通過應(yīng)力分布特征、圍巖變形速度及位移量的比較，確定最優(yōu)的錨桿長度。

方案2：比較頂板采用2根錨索及3根錨索的條件下頂板變形特點(diǎn)及對(duì)巷道圍巖的影響。

方案3：比較幫部施工錨索梁及不施工錨索梁的情況下，圍巖變形的特征和差異大小。

通過3個(gè)方案的比較，得出不同條件下巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)、圍巖變形速度及位移量，確定最終的支護(hù)方案。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 開巷影響分析

巷道掘進(jìn)后圍巖彈塑性區(qū)域分布圖見圖3。

圖3 巷道掘進(jìn)后圍巖彈塑性區(qū)域分布圖

由圖3可以看出，巷道頂部兩肩角及幫部出現(xiàn)較大范圍剪切應(yīng)力塑性區(qū)，巷道底板同樣為剪切應(yīng)力塑性區(qū);而頂板及兩幫中部為拉伸應(yīng)力區(qū)，其余區(qū)域均為彈性區(qū)域或已經(jīng)屈服的彈性區(qū)域。巷道開挖后垂直位移圖見圖4。

圖4 巷道開挖后垂直位移圖

由圖4可以看出，巷道頂板中部的垂直位移最大達(dá)到450 mm左右，幫部移近量達(dá)到500 mm左右，巷道基本處于失穩(wěn)狀態(tài)。

3.2 不同錨桿長度效果模擬

采用 2.2 m、2.5 m、2.8 m 錨桿圍巖垂直應(yīng)力分布圖見圖5，圖6，圖7。

圖5 采用2.2 m錨桿圍巖垂直應(yīng)力分布圖

由圖5～圖7中的對(duì)比可知，采用2.2 m錨桿圍巖垂直應(yīng)力集中范圍更廣，應(yīng)力集中程度更大，采用2.5 m錨桿圍巖垂直應(yīng)力分布與采用2.2 m錨桿時(shí)變化不大。而采用2.8 m錨桿能顯著改變圍巖應(yīng)力集中程度，改善圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布，更好地控制巷道圍巖穩(wěn)定。同時(shí)根據(jù)大量模擬結(jié)果顯示，幫錨桿加長后將可以非常顯著的控制兩幫變形;同時(shí)幫部錨桿從1.8 m增加到2.5 m時(shí)，底鼓量有一個(gè)明顯的降低，但對(duì)頂板下沉影響不大。

3.3 不同頂板錨索效果模擬

不同數(shù)量頂板錨索支護(hù)時(shí)巷道頂板變形量見圖8。

圖8 不同數(shù)量頂板錨索支護(hù)時(shí)巷道頂板變形量

頂板2根錨索時(shí)圍巖塑性區(qū)分布圖見圖9，圖10。

由圖8～圖10可知，頂板采用不同數(shù)量錨索時(shí)，雖然只是增加了1根錨索，但頂板下沉量減少了25%左右。頂板采用不同數(shù)量錨索時(shí)，圍巖塑性區(qū)分布明顯不同。采用2根錨索時(shí)，巷道頂板塑性區(qū)范圍顯著大于采用3根錨索時(shí)。同時(shí)巷道頂板的穩(wěn)定性對(duì)巷道底板的應(yīng)力分布也有明顯影響，采用3根錨索時(shí)，巷道底板塑性區(qū)只是采用2根錨索時(shí)底板塑性區(qū)的1/2大小。巷道頂板增加1根錨索，不僅增強(qiáng)了巷道頂板的穩(wěn)定性，同時(shí)改善了巷道底板圍巖的應(yīng)力分布特征，增強(qiáng)了對(duì)巷道底板的控制，有利于巷道的長期穩(wěn)定維護(hù)。

3.4 幫部錨索梁支護(hù)效果模擬

幫部有無錨索梁時(shí)巷道兩幫移近量比較見圖11。

圖11 幫部有無錨索梁時(shí)巷道兩幫移近量比較

幫部無錨索梁時(shí)、幫部采用錨索梁時(shí)圍巖塑性區(qū)分布圖分布見圖12，圖13。

由圖11～圖13可知，巷道幫部采用錨索梁支護(hù)時(shí)，巷道幫部變形量減少了30%左右，同時(shí)對(duì)巷道頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)分布也有很大的改變。由于幫部支護(hù)強(qiáng)度的提高，改善了幫部圍巖的應(yīng)力分布特點(diǎn)，對(duì)巷道頂?shù)装宓木S護(hù)也有重要意義。

4 小結(jié)

本巷道埋深大，屬于典型的深井煤巷支護(hù)問題，在高垂直應(yīng)力的存在的情況下，水平應(yīng)力的剪切作用也將非常劇烈，而且巷道高度較大，通過以上模擬，可以得出如下結(jié)論：

1)由于11－2煤層頂板為厚層復(fù)合頂板，主要是泥巖或煤線等整體性非常差的巖層，較短的錨桿在控制巷道穩(wěn)定性方面效果較差，而幫部的穩(wěn)定又十分重要，因此，為有效控制巷道幫部側(cè)壓，防止過量變形鼓出，故應(yīng)適當(dāng)加長錨桿長度，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，并考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工的具體條件以及控制最終的巷道變形，幫部錨桿長度采用2.5 m，頂板錨桿長度采用2.8 m，力求加大錨桿錨固區(qū)范圍。

2)由于煤層強(qiáng)度較低，需通過控制巷道幫部變形來達(dá)到減小頂板下沉及底鼓的發(fā)生，保持巷道的長期穩(wěn)定維護(hù)，幫部應(yīng)采用沿巷道走向錨索梁以控制巷道圍巖變形。

3)應(yīng)控制好巷道的形狀及尺寸，保持頂板的完整性。提高巷道頂板的承載能力和完整性，支護(hù)形式應(yīng)具有及時(shí)主動(dòng)承載、整體性強(qiáng)的特點(diǎn)，及時(shí)有效地控制巷道變形，使巷道在最大程度上滿足生產(chǎn)上的需要。

［1］ 張 農(nóng)，高明仕.煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(9)：524－527.

［2］ 張 農(nóng)，侯朝炯.深井三軟煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999(18)：51－55.

［3］ 張 農(nóng).泥質(zhì)巷道圍巖控制理論與實(shí)踐［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011：22－23.

［4］ 康洪普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007：47－48.

［5］ 吳新生，李哲林.軟巖巷道錨桿支護(hù)效果的數(shù)值模擬研究［J］.礦業(yè)研究與發(fā)展，2000，20(1)：24－27.

［6］ 楊百順，張 農(nóng).深部煤巷錨桿支護(hù)的數(shù)值模擬與應(yīng)用［J］.煤礦安全，2007(11)：30－32.

Numerical Simulation Analysis of Bolt Supporting in 1262(1)Haulage Roadway of Dingji Colliery

Zhao Yi－ming

Taking the 1262(1)haulage roadwya of Dingji colliery as the main object of study，in order to determine the reasonable supporting parameters，F(xiàn)LAC2D4.0 numerical simulation software was used to analysis the stability and deformation of the gate with different bolt length，different roof anchor cable quantity and install or not install Cable－beam on gate sides.The research result indicates that the deep roadway can be achieved long term stability through increase the bolted zoom，improve the bearing capability of roof and the integrity of roadway rock mass，the usual manner，such as prolonged the bolt length，increase the roof anchor cable quantity and install Cable－beam on gate sides，can be taken.

Bolt supporting;Numerical simulation;Roadway sides;Anchor cable

TD353+.6

A

1672－0652(2012)02－0010－04

2012－01－15

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助(2007CB209408);國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51104152)

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CX09B_118Z)

趙一鳴(1981—)，男，河南駐馬店人，2008年中國礦業(yè)大學(xué)在讀博士研究生，主要從事巷道圍巖控制理論及技術(shù)的研究

(E － mail)zhaoyiming001@gmail.com