高應(yīng)力條件下巖巷層位選擇的數(shù)值模擬分析

彭繼勇，解 波

(恒源煤電股份有限公司錢營孜煤礦，安徽宿州234000)

高應(yīng)力條件下巖巷層位選擇的數(shù)值模擬分析

彭繼勇，解 波

(恒源煤電股份有限公司錢營孜煤礦，安徽宿州234000)

某礦即將開采6煤，擬將6煤軌道大巷、回風(fēng)大巷及運(yùn)輸大巷布置在其底板巖層中。為了確定大巷的具體位置，通過FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件對巷道的具體層位選擇情況進(jìn)行模擬研究，分析了不同層位條件下巷道的圍巖變形、塑性區(qū)分布以及應(yīng)力分布情況，模擬結(jié)果表明將巷道布置在6煤底板9.0m厚的石英砂巖中，巷道的變形量最小，受力狀態(tài)最好，有利于巷道的整體維護(hù)。

高應(yīng)力;巖巷;層位選擇;數(shù)值模擬

某礦在礦井整合之初仍采用原有生產(chǎn)系統(tǒng)對4煤進(jìn)行開采，由于4煤頂?shù)装寰鶠楹駥榆浫跄鄮r或粉砂質(zhì)泥巖，圍巖力學(xué)性質(zhì)差、裂隙發(fā)育，再加上埋深大 (800m)，地壓高，巷道變形破壞非常嚴(yán)重，往往在掘出后3～4個(gè)月就需要進(jìn)行大規(guī)模返修，極大地制約了礦井的通風(fēng)能力和運(yùn)輸能力。礦井后期將開采下部的6煤層，為改善巷道變形量大，嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn)的局面，擬沿走向在6煤底板巖石中布置軌道巷、回風(fēng)巷以及膠帶輸送機(jī)大巷，但具體位置的選擇需要進(jìn)一步研究。為實(shí)現(xiàn)對新掘巖石大巷變形破壞的有效控制［1－3］，結(jié)合考慮巷道掘進(jìn)速度、后期石門、聯(lián)絡(luò)巷的工程量等因素，借助FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件［4－5］對3條巖石大巷的層位布置進(jìn)行數(shù)值模擬研究 (數(shù)值計(jì)算以膠帶輸送機(jī)大巷為例)，通過對不同層位條件下巷道的圍巖變形、應(yīng)力分布以及塑性破壞情況進(jìn)行對比分析，以確定巖石大巷的最佳層位。

1 工程概況

某礦主采4，6煤層，煤種為無煙煤，煤層傾角6～9°;地表為山體，煤層埋深約800m，地壓大;礦井開拓方式為斜井開拓，目前生產(chǎn)能力0.4Mt/a;采煤工作面采用傾斜長壁式布置，金屬摩擦支柱配鉸接頂梁支護(hù)，放炮落煤，人工裝煤，刮板輸送機(jī)運(yùn)煤;礦井屬低瓦斯礦井，各煤層無爆炸危險(xiǎn)性、不易自燃;地質(zhì)及水文地質(zhì)條件屬中等類型。4煤層和6煤層之間巖層總厚為26.8m，主要為粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，煤巖層柱狀見圖1。

圖1 煤巖層柱狀

2 模型建立及方案制訂

2.1 計(jì)算模型的建立

為充分考慮煤巖層之間的協(xié)調(diào)性以及消除邊界效應(yīng)影響，F(xiàn)LAC3D幾何模型尺寸為:長×寬×高= 49m×50m×68.6m，模型共劃分 80500個(gè)單元，84632個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型服從Mohr－Coulomb準(zhǔn)則，底邊界和四周邊界采用零位移邊界條件，上部邊界不約束，上覆巖層用等效載荷代替P=17.5 MPa。采用錨桿單元模擬錨桿、錨索，梁單元模擬鋼帶，界面單元模擬巖層層面，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。各巖層的物理力學(xué)參數(shù)具體見表1。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表1 4煤層附近主要巖層物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 模擬方案

6煤層底板約10m，23m深度分別為厚3.0m的砂巖和9.0m的石英砂巖，為使大巷易于維護(hù)，充分保障其穩(wěn)定性，模擬方案主要考慮將膠帶輸送機(jī)大巷布置在砂巖或石英砂巖中，即巷道位置距6煤底板分別為10m，9.5 m，9m和22.5m 4種方案，不同方案巷道層位布置示意如圖3所示。

2.3 巷道斷面及支護(hù)參數(shù)

數(shù)值模擬的巷道支護(hù)參數(shù)采用原4煤膠帶輸送機(jī)大巷現(xiàn)場實(shí)際支護(hù)參數(shù)。

(1)巷道斷面 斷面為直墻半圓拱形，巷道掘進(jìn)寬度5.0m，墻高1.5m，拱高2.5m。

圖3 不同方案巷道層位布置示意

(2)錨桿參數(shù) 采用高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合高強(qiáng)度鼓形托板 (150mm×150mm× 10mm)進(jìn)行兩幫和頂板支護(hù);錨桿規(guī)格為20mm ×M22×2400mm;錨固劑采用3卷規(guī)格為Z2350的樹脂藥卷進(jìn)行加長錨固;錨桿間排距為950mm× 700mm，底角錨桿距巷道底板為300mm，角度為30°，其余錨桿均垂直巖面布置，錨桿預(yù)緊扭矩300N·m。

(3)錨索參數(shù) 錨索布置于2排錨桿中間，全斷面布置3根錨索，拱頂錨索布置于中間，兩肩角錨索與巷道半圓拱中心呈45°角布置，排距為1.4m;錨索鋼絞線規(guī)格為17.8mm×6.5m，張拉力為100kN(10t);每孔采用4節(jié)Z2350中速樹脂藥卷加長錨固;錨索配合規(guī)格為250mm×250mm× 16mm的鋼托板。巷道斷面及支護(hù)參數(shù)見圖3。

圖3 巷道斷面及支護(hù)參數(shù)

3 方案比較與選擇

3.1 圍巖變形情況分析

模擬巷道長49m，分7次開挖。對計(jì)算數(shù)據(jù)處理后，得到4種方案條件下巷道圍巖位移的等值線分布，如圖4所示。運(yùn)用Hist語句記錄4種方案條件下巷道圍巖表面位移，如表3所示。

表3 不同方案對應(yīng)巷道圍巖表面位移量

圖4 不同方案條件下巷道圍巖位移等值線

由圖4可知，方案1，2，3中，圍巖位移均相差不大，由于3m粉砂巖上方為粉砂質(zhì)泥巖，其強(qiáng)度要高于下方泥巖，故巷道破頂掘進(jìn)時(shí)的變形量要小于破底掘進(jìn);從表3得出，在方案4條件下，巷道圍巖變形量最小，特別是底鼓量，與前3個(gè)方案相比減少了59%。圍巖表面位移大小關(guān)系為:方案4＜方案3＜方案2＜方案1，方案4相比于方案3，其頂、底板及兩幫移近量分別減少約15%、59%、36%，底板的控制效果最好，其次是幫部。

3.2 塑性變形情況分析

取不同方案的巷道圍巖塑性區(qū)分布圖，具體情況如圖5。

由圖5可知，4個(gè)方案的巷道圍巖塑性破壞區(qū)的分布情況大致相同。淺部圍巖受拉、剪破壞，以剪切破壞為主，而深部圍巖是剪切破壞;巷道肩角、底角受破壞程度比其他區(qū)域嚴(yán)重。但是方案4中頂板和底板的塑性破壞范圍較小，且肩角和底角位置處的破壞程度也相對較小，說明方案4的巷道穩(wěn)定性要好于前3個(gè)方案。

3.3 應(yīng)力分布情況分析

取不同方案的巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖，具體如圖6。

圖5 不同方案條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況

由圖6可見，方案1，2，3中圍巖垂直應(yīng)力降低區(qū)相差不大，而方案4中應(yīng)力降低區(qū)范圍有所縮小，表明方案4條件下，圍巖受力狀態(tài)要好于前3個(gè)方案。

圖6 不同方案條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

具體排序?yàn)?方案4優(yōu)于方案2優(yōu)于方案1優(yōu)于方案3。方案4中，巷道側(cè)向支承壓力峰值為28.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.6，峰值出現(xiàn)位置距離巷幫約12 m。

綜上所述，由4種方案巷道圍巖變形位移及破壞特征、塑性區(qū)分布和圍巖受力情況比較分析可得，方案4巷道圍巖的受力情況較好，圍巖變形位移小，確保巷道在服務(wù)期間的穩(wěn)定性，對于同等條件下的巷道圍巖變形分析及方案選擇提供借鑒，并為煤礦的安全高效生產(chǎn)提供基礎(chǔ)條件。

4 結(jié)論

將大巷布置在6煤底板23m深9.0m厚的石英砂巖中時(shí)，巷道整體圍巖環(huán)境好、變形量小;與布置在3m的粉砂巖中相比，巷道的頂、底板及兩幫移近量可分別降低約15%、59%、36%，其中底板的控制效果最好，其次是幫部，有利于巷道的整體維護(hù)。

3條開拓巷道同時(shí)布置在9.0m石英砂巖中時(shí)，為避免側(cè)向支撐壓力增高區(qū)的影響，巷道間水平距離至少為25m。

［1］高召寧，孟祥瑞.深井高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞及支護(hù)對策［J］.中國煤炭，2007，33(1):8－11.

［2］何長海，姜耀東，曾憲濤，等.深井巖巷高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿支護(hù)優(yōu)化數(shù)值模擬［J］.煤礦開采，2010，15(3):50－52.

［3］楊永康，季春旭，康天合，等.大厚度泥巖頂板煤巷破壞機(jī)制及控制對策研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30 (1):59－67.

［4］黃艷利，張吉雄，范 軍，等.近距離煤層回采巷道合理布置方案［J］.煤礦安全，2009(9):66－68.

［5］張百勝，楊雙鎖，康立勛，等.極近距離煤層回采巷道合理位置確定方法探討 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27 (1):97－101.

［責(zé)任編輯:姜鵬飛］

Numerical Analysis on the Choice of Layers in the Floor Fit for Rock Roadways under High Stress

Peng ji-yong，Xie bo

(Qianyingzi Coal Mine，Hengyuan Coal－electricity Group Co.，Ltd.，Suzhou，234000，China)

No.6 coal seam will be excavated in a coal mine，where the railway roadway，the return roadway，and the transportation roadway will be developed along the floor of No.6 coal seam.To determine the exact sites of the roadways，numerical models were created with FLAC3Dto analyze the layers of floor fit for roadways.This paper evaluated the deformation of surrounding rock，plastic zone distribution，and stress distribution when the roadways were located at different layers of the floor，and the results showed that the roadways had the smallest deformation and the best stress state favorable to its stability when the roadways were located at the layer of sandstone 9.0m thick in the floor.

high stress;rock roadway;choice of layers;numerical model

TD263

A

1006-6225(2012)04-0011-04

2011－12－27

彭繼勇 (1963－)，男，安徽蕭縣人，恒源煤電股份有限公司錢營孜煤礦工程師，掘進(jìn)副礦長，主要從事礦井掘進(jìn)管理工作。