深井全煤巷道反底拱支護(hù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

高喜才，趙 強(qiáng)

（1.西安科技大學(xué)教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054;

2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安710054;3.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)胡家河礦業(yè)公司，陜西咸陽(yáng) 713600）

深井全煤巷道反底拱支護(hù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

高喜才1，2，趙 強(qiáng)3

（1.西安科技大學(xué)教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710054;

2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西西安710054;3.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)胡家河礦業(yè)公司，陜西咸陽(yáng) 713600）

針對(duì)陜西彬長(zhǎng)集團(tuán)公司胡家河煤礦井底水倉(cāng)全煤巷道支護(hù)難題，采用數(shù)值模擬方法分析了原有初期支護(hù)方式存在的問題，提出了增加反底拱控制的綜合支護(hù)方案并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。模擬結(jié)果表明:通過增強(qiáng)頂板、兩幫支護(hù)強(qiáng)度和反拱控底可以有效提高整體支護(hù)承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，巷道圍巖塑性區(qū)明顯減少，劇烈底鼓變形和頂部下沉得到顯著改善。

深部開采;煤巷;反底拱;數(shù)值模擬

隨著煤炭需求量和開采強(qiáng)度不斷加大，淺部資源日益減少，煤礦開采逐漸向深部延伸，地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜［1］，導(dǎo)致巷道圍巖結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應(yīng)均發(fā)生根本性變化，巷道劇烈礦壓顯現(xiàn)發(fā)生概率大增［2］。隨開采深度增大，易產(chǎn)生底鼓的巷道比重越來越大，底鼓問題更加突出［3－5］。

彬長(zhǎng)礦區(qū)胡家河煤礦井底水倉(cāng)巷道沿底板留2.4m底煤掘進(jìn)，屬深部軟底全煤巷道，在原有初期錨網(wǎng)索支護(hù)條件下出現(xiàn)頂板下沉、明顯底鼓的較劇烈巷道變形特征，給水倉(cāng)安裝運(yùn)行帶來較大安全隱患。論文針對(duì)深部全煤巷道變形破壞特征，提出了反底拱支護(hù)技術(shù)方案，并通過數(shù)值模擬分析方法對(duì)巷道優(yōu)化支護(hù)效果進(jìn)行了研究。

1 工程地質(zhì)概況

陜西省彬長(zhǎng)礦區(qū)揭露的地層有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系，區(qū)域構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地南部的渭北斷隆區(qū)彬縣～黃陵坳褶帶，其主體構(gòu)造為以東西向?qū)捑忨薨櫂?gòu)造為主。胡家河煤

礦煤層表現(xiàn)為一整體東南高、西北低，并伴隨著古地貌的隆起及凹陷存在著的背斜和向斜構(gòu)造。4號(hào)煤層埋深621.6～810.0m，厚度0.8～26.20m，一般厚度為10～15.00m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，一般含2層夾矸，且位于煤層的中上部，屬大部可采煤層，其單軸抗壓強(qiáng)度為17.0MPa，單向抗拉強(qiáng)度為0.89MPa，孔隙率12.7，軟化系數(shù)0.48。4號(hào)煤層偽頂多為黑色炭質(zhì)泥巖，厚度小，直接頂板為較易冒落的泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖;基本頂以強(qiáng)度為6.7～17.2 MPa的中砂巖、粗砂巖為主的較堅(jiān)硬頂板，受高強(qiáng)度開采影響將呈現(xiàn)較為劇烈的礦壓顯現(xiàn);底板巖性一般為泥巖及粉砂巖，松散易碎，次為鋁質(zhì)泥巖，遇水易軟化。礦井涌水以裂隙水為主，由于其覆巖含水層較多，水文地質(zhì)類型劃分為“復(fù)雜”類型，預(yù)計(jì)正常涌水量為470m3/h，最大涌水量為700m3/h。

2 深部巷道變形特征及支護(hù)對(duì)策

2.1 初期支護(hù)

井底水倉(cāng)巷道斷面為半圓拱形，凈寬5500mm，凈高2750mm，掘進(jìn)斷面17.16m2，凈斷面11.88m2。原有初期支護(hù)方式采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，周邊錨桿采用φ20mm×2300mm，間排距700mm×700mm，菱形布置，錨桿外露長(zhǎng)度50mm，樹脂錨固劑采用MSZ28/35型，每根錨桿使用3卷，并用砂漿封堵。托板采用 Q235鋼，規(guī)格為150mm×150mm×8mm。鋼筋網(wǎng)采用φ6mm的Q235鋼筋焊接，網(wǎng)格100mm×100mm。

圖1 初期支護(hù)斷面

2.2 巷道變形破壞特征

水倉(cāng)巷道掘進(jìn)開挖圍巖應(yīng)力重新分布過程中，頂拱和兩幫初期常規(guī)支護(hù)難以控制底板圍巖變形，初次支護(hù)后即表現(xiàn)出明顯的巷道變形，具體表現(xiàn)為頂板下沉和底鼓，距離掘進(jìn)機(jī)迎頭后15～20m左右即出現(xiàn)明顯底鼓變形，且初期變形速度較大，局部最大值為600～700mm。

巷道周圍煤體內(nèi)部節(jié)理、裂隙發(fā)育;底板多為軟弱炭質(zhì)泥巖，松散易碎，遇水易軟化;頂板裂隙水隨底板次生裂隙發(fā)育區(qū)滲入底板造成強(qiáng)度降低的同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的體積膨脹壓力，是巷道發(fā)生劇烈底鼓變形的內(nèi)在原因。水倉(cāng)巷道服務(wù)期限較長(zhǎng)，巷道要經(jīng)受長(zhǎng)期的煤巖流變變形，有效處理底板是控制水倉(cāng)巷道底鼓的關(guān)鍵。因此，提出了集錨網(wǎng)（索）、砌碹、底部反拱、底錨桿與封閉型鋼筋網(wǎng)梁于一體的多重聯(lián)合支護(hù)方式，并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值分析，進(jìn)一步優(yōu)化確定支護(hù)參數(shù)。

3 數(shù)值計(jì)算模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)水倉(cāng)巷道圍巖條件 （見表1），選取非線性大變形計(jì)算程序，建立深部軟底全煤井底水倉(cāng)圍巖變形破壞特征數(shù)值分析平面應(yīng)變模型，取模型尺寸為寬×高=60m×54.3m，用brick單元模擬煤層及圍巖，采用cable單元模擬錨桿 （索）構(gòu)件，采用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型，模型底部限制垂直位移，模型兩側(cè)面限制水平移動(dòng)，上部施加上覆巖層等效載荷12.7MPa。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 優(yōu)化方案模擬計(jì)算結(jié)果分析

（1）優(yōu)化方案一 首先對(duì)底板1250mm深度的煤巖進(jìn)行臥底超挖，同時(shí)底板實(shí)施錨桿支護(hù)，水泥砂漿全長(zhǎng)錨固，間排距為1000mm×2000mm;頂板中軸增加 φ15.24mm×7100mm錨索，排距2800mm，每根錨索3卷樹脂藥卷，錨索托盤為長(zhǎng)350mm的16號(hào)槽鋼，錨索的預(yù)緊力不小于100kN，模擬模型見圖2（a），塑性區(qū)分布特征見圖2（b），位移矢量場(chǎng)分布見圖2（c）。

圖2 優(yōu)化方案一

反底拱在底板深部形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，拱形底板將底板受力傳遞至拱角，大大降低了底部受力，使巷道形成封閉的受力整體，同時(shí)在錨桿加強(qiáng)支護(hù)下，改善底板中部巖體的應(yīng)力狀態(tài)，提高了其固有強(qiáng)度，抑制了其進(jìn)一步發(fā)生拉伸和隆起。

半圓拱頂板兩側(cè)的錨桿端部基本達(dá)到穩(wěn)定巖層，能將錨固范圍內(nèi)的巖體形成一個(gè)似整體的承載內(nèi)結(jié)構(gòu)，起到較好的加固效果，再加上頂板錨索已經(jīng)深入到破壞區(qū)范圍外的穩(wěn)定巖層，將下部的錨固拱結(jié)構(gòu)懸吊在穩(wěn)定巖層上，對(duì)頂板起到較好的加固作用;巷道兩幫的破壞區(qū)基本上在錨桿的錨固范圍內(nèi)。巷道弧頂肩部剪切破壞帶范圍最大為1.5～2m，兩幫圍巖發(fā)生塑性變形區(qū)域范圍較小，特別是巷道底拱部發(fā)生塑性破壞的范圍為0～0.5m。

在反底拱+底板錨桿+底板封閉鋼筋梁聯(lián)合支護(hù)作用下，周邊位移明顯減小，頂板最大位移量為56.5mm，底板最大底鼓量為115.5mm，兩幫最大位移量?jī)H為1.9mm，而且起到了良好的隔水作用，反底拱支護(hù)優(yōu)化方案一對(duì)底板底鼓變形控制、保證巷道的穩(wěn)定性起到了較好的支護(hù)效果。

（2）優(yōu)化方案二 頂板施加單、雙根錨索交替菱形布置3根錨索，單根在巷道頂板中部，雙根在半圓拱兩側(cè) 45°角位置，選用 φ15.24mm×7100mm長(zhǎng)錨索，每根錨索3卷樹脂藥卷，錨索托盤為長(zhǎng)350mm的16號(hào)槽鋼，錨索的預(yù)緊力不小于100kN，排距2800mm;同時(shí)增加兩側(cè)底角45°錨桿，應(yīng)用φ20mm×3000mm螺紋鋼錨桿，Q235鋼托盤，規(guī)格150mm×150mm×8mm，角錨桿排距為2000mm，模擬模型見圖3（a），塑性區(qū)分布特征及位移矢量場(chǎng)分布特征見圖3（b），（c）。

通過半圓拱形肩部關(guān)鍵部位錨索的加強(qiáng)支護(hù)，使得垂直應(yīng)力產(chǎn)生進(jìn)一步均化，深層巖層抗剪切和抗變形能力增強(qiáng)，與錨桿相互耦合作用增加了頂板結(jié)構(gòu)的剛度，充分調(diào)動(dòng)了深部更大范圍的外承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了自身的承載能力，提高了淺部圍巖的承載能力的同時(shí)圍巖塑性區(qū)有了明顯的改善。

增加的底角錨桿在承受一定的軸向荷載的同時(shí)，主要發(fā)揮了其抗彎力學(xué)性能，成排的底角錨桿所形成的支護(hù)體系將巷道開挖后應(yīng)力重分布所導(dǎo)致的豎向與水平荷載力進(jìn)行了有利地轉(zhuǎn)化，起到了切斷底板基角部位塑性滑移線的作用，而且將應(yīng)力向巖體深部傳遞，可以有效改善底板應(yīng)力集中，抑制底角應(yīng)力集中區(qū)巖體的剪切滑移破壞。

頂板最大位移量為56.3mm，底板最大底鼓量為111.9mm，兩幫最大位移量?jī)H為0.9mm，與無支護(hù)狀態(tài)相比，頂板最大位移量減小44%～50%，底板最大底鼓量減小80%～85%，兩幫最大位移減小95%以上，反底拱支護(hù)對(duì)底板位移量控制效果明顯。

圖3 優(yōu)化方案二

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中考慮井底水倉(cāng)巷道貯水功能、服務(wù)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，在支護(hù)過程中優(yōu)先選取方案二，同時(shí)巷道底板超挖形成反底拱后，及時(shí)進(jìn)行積水處理，保證錨桿采用水泥砂漿全長(zhǎng)錨固做好硬化防水處理后再回填。水倉(cāng)硐室在2011年正常投入使用以后，現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平俣葹?.2～2mm/d，巷道表面位移基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生明顯的變形，特別是底板未出現(xiàn)進(jìn)一步的底鼓現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）深部巷道開挖后塑性區(qū)迅速向圍巖深部擴(kuò)展，發(fā)展范圍較大，巷道淺部圍巖承載能力急劇下降，采用主動(dòng)的強(qiáng)力聯(lián)合支護(hù)技術(shù)是有效解決深部巷道支護(hù)難題的有效途徑。胡家河水倉(cāng)巷道頂板裂隙水隨底板次生裂隙發(fā)育區(qū)滲入底板造成強(qiáng)度降低的同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的體積膨脹壓力是巷道發(fā)生劇烈底鼓變形的內(nèi)在原因，有效處理底板是控制高應(yīng)力煤層巷道底鼓的關(guān)鍵。

（2）針對(duì)胡家河煤礦井底水倉(cāng)給定的巷道巖體結(jié)構(gòu)型式、巖性及其地應(yīng)力場(chǎng)條件，提出的錨網(wǎng)噴砌碹，底部反拱+底錨桿+鋼筋網(wǎng)梁綜合支護(hù)技術(shù)將各個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)結(jié)合，充分調(diào)動(dòng)了深部更大范圍的外承載結(jié)構(gòu)，發(fā)揮了自身的承載能力，從根本上能夠控制巷道圍巖劇烈變形。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，水倉(cāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)深部全煤巷道底鼓變形控制效果明顯，為礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)類似條件巷道設(shè)計(jì)施工提供很好的借鑒。

［1］劉泉聲，高 瑋，袁 亮.煤礦深部巖巷穩(wěn)定控制理論與支護(hù)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［2］王 成，張念超，臧英新.千米深井軟巖煤巷支護(hù)方式數(shù)值模擬研究 ［J］.煤礦開采，2011，16（1）:48－52.

［3］謝廣祥，常聚才.超挖錨注回填控制深部巷道底臌研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（8）:1242－1247.

［4］姜耀東，趙毅鑫，劉文崗，等.深部開采中巷道底臌問題研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（7）:2396－2401.

［5］柏建彪，李文峰，王襄禹，等.采動(dòng)巷道底鼓機(jī)理與控制技術(shù)［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（3）:1－5.

［6］王衛(wèi)軍，馮 濤.加固兩幫控制深井巷道底臌的機(jī)制研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（5）:808－811.

［7］何滿潮，張國(guó)鋒，王桂蓮，等.深部煤巷底臌控制機(jī)制及應(yīng)用研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（S1）.

［8］張后全，韓立軍，賀永年，等.構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域膨脹軟巖巷道底鼓控制研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011，28（3）.

Numerical Simulation of Bottom Arch Supporting Coal Roadway in Deep Mine

GAO Xi-cai1，2，ZHAO Qiang3
（1.Key Laboratory of Western Mining ＆ Disaster Prevention of Education Ministry，Xi＇an University of Science ＆ Technology，Xi＇an 710054 China;
2.Energy School，Xi＇an University of Science ＆ Technology，Xi＇an 710054，China;
3.Hujiahe Mining Company，Shanxi Bingchang Mining Group，Xianyang 713600，China）

In order to solve difficult problem of supporting coal minesump roadway in Hujiahe Colliery of Shanxi Bingchang Group，numerical simulation method was applied to analyzing problems in original supporting design and bottom arch supporting was put forward.Numerical results showed that strength of whole bearing structure could be improved effectively with bottom arch and by strengthening roof and sides supporting strength，plastic zone of surrounding rock reduced largely，severe floor heave deformation and roof subsidence was controlled obviously.

deep mining;coal roadway;bottom arch;numerical simulation

TD353

A

1006-6225（2012）02-0057-04

2011－10－18

陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目 （08JZ40）;西安科技大學(xué)培育基金 （200604）

高喜才 （1980－），男，河南方城人，講師，博士，主要從事巖石力學(xué)與巷道支護(hù)方面的教學(xué)與研究工作。

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］