近距離煤巷群圍巖穩(wěn)定性計算與分析①

張明泉 吳吉南 田 多

(1.中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036006;2.華北科技學院安全工程學院，北京 東燕郊 101601)

煤礦主運大巷道的布置，往往是由煤層的賦存狀態(tài)所決定的，隨著煤礦的兼并與重組的推進，區(qū)域內(nèi)布置間距較小的巷道群的概率大大增加。對于巷道群而言，在圍巖狀況、斷面形狀和尺寸、施工方法、爆破震動等因素的制約下，新巷道的掘進往往會改變鄰近巷道的受力狀態(tài)。鑒于問題的復雜性，很難采用理論分析的方法對施工擾動效應下的巷道群力學行為進行分析，因此，本文結(jié)合潘家窯礦煤道群的現(xiàn)場實際，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立一系列分析模型，對鄰近巷道開挖影響下圍巖穩(wěn)定性進行了數(shù)值計算與分析研究，相關(guān)結(jié)論可為類似條件下的巷道群圍巖變形控制提供理論參考和技術(shù)借鑒［1，2］。

1 工程概況

為了響應山西省煤礦企業(yè)兼并重組的號召，潘家窯礦參照有關(guān)規(guī)定，對本礦開拓系統(tǒng)進行重新設(shè)計，最新設(shè)計為:刷大原有小斷面巷道包括4#煤回風大巷和4#煤輔運大巷(兩大巷的凈間距約30 m)，并在兩大巷之間開掘新的主運大巷。主運大巷開掘之后，3條大巷之間的凈間距(保護煤柱寬度)僅有15 m左右，見圖1。在這樣的小煤柱條件下進行刷擴、新掘巷道，在國內(nèi)還未見報道［3～5］。顯然，對巷道的施工和支護設(shè)計都是個挑戰(zhàn)性的課題。

潘家窯4#煤層，賦存結(jié)構(gòu)簡單，一般含有夾矸2～4層，井田南部分叉為4－1、4－2煤層，局部或全層風氧化，全井田分布為穩(wěn)定可采煤層。煤厚3.76～15.20m，平均為8.76m。巷道頂板巖層為:上部為中細砂巖與深灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖互層，中夾藍灰色泥巖及耐火粘土礦層，底部為灰白色中粗砂巖，粒度向下變粗，有時含礫為K3標志層，有時含有1～3層不穩(wěn)定薄煤層。直接頂中粗砂巖的單軸抗壓強度取為35 MPa，直接底為泥巖的單軸抗壓強度為20 MPa，4#煤層抗壓強度按照礦區(qū)相關(guān)報告取為5.8 MPa。巷道斷面形狀設(shè)計為矩形，巷道圍巖力學參數(shù)詳見表1。

圖1 刷擴、新掘巷道示意圖

表1 計算斷面地質(zhì)參數(shù)表

2 FLAC3D數(shù)值計算模型

對刷擴和新掘煤巷進行數(shù)值模擬并計算其穩(wěn)定性，主要是刷大現(xiàn)有小斷面巷道(原4#煤膠帶大巷刷大為4#煤輔運大巷、原4#煤輔運回風大巷刷大為4#煤回風大巷)的影響，以及新掘4#煤主運大巷對兩邊既有的新刷大的4#煤輔運大巷和4#煤回風大巷造成的影響。

幾種可能的工況為:①工況1—回風大巷沿頂板，輔運大巷沿頂板;②工況2—回風大巷沿頂板，輔運大巷沿底板;③工況3—回風大巷沿頂板，輔運大巷沿底板，主運大巷沿頂板;④工況4—回風大巷沿頂板，輔運大巷沿底板，主運大巷沿底板;⑤工況5—回風大巷沿頂板，輔運大巷沿頂板，主運大巷沿頂板;⑥工況6—回風大巷沿頂板，輔運大巷沿頂板，主運大巷沿底板。

模型水平尺寸為:長×寬×高=82 m×30 m×117 m。巖體和煤層采用Mohr－Coulomb模型;錨桿和錨索采用cable單元。支護結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表2。計算模型共計16100個單元，18612個網(wǎng)格點。

計算中的所有邊界均為位移邊界條件，其中模型上表面為自由邊界，下表面方向為z方向位移固定，左右邊界為 x、y 方向位移鉸支［6，7］。巷道模型采用一次全斷面開挖，根據(jù)擬建巷道的不同設(shè)計位置，分別對六種工況進行模擬計算，從位移、錨桿受力、垂直應力、塑性破壞等進行分析。

表2 支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

3 計算結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖位移分析

開挖主運大巷前，工況一的輔運大巷頂板最大下沉為40.2mm，底板最大隆起為126.7mm;工況二的輔運大巷頂板最大下沉141.4 mm，底板最大隆起為111 mm，且其左右兩幫最大位移為42.2 mm。

開挖主運大巷后，巷道沿頂板的工況下，巷道頂板最大下沉49.8 mm;其中工況五的輔運大巷底板最大隆起為126.2 mm;工況四的主運大巷兩幫最大位移為43.8 mm。綜合來看，工況五的回風大巷、輔運大巷的頂?shù)装逦灰戚^大，可見開挖中間主運大巷之后對兩邊巷道頂?shù)装逦灰朴绊戄^大。計算位移數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 監(jiān)測位移數(shù)據(jù)對比

3.2 錨桿、錨索受力分析

由于各巷道頂板均有錨索承擔較大應力，因此各巷道錨桿最大軸力均出現(xiàn)在兩幫的錨桿上。在各巷道的兩幫錨桿中，存在最大應力的錨桿往往出現(xiàn)在頂角處。開挖中間主運大巷之前，錨桿的最大應力出現(xiàn)在工況2回風大巷的左幫最下一根，最大應力為12.71t;開挖中間主運大巷之后，各巷道錨桿應力相應變小，最大錨桿應力出現(xiàn)在工況6主運大巷左幫上數(shù)第二根，最大應力為11.92t。具體見圖2。

頂板中間錨索的應力值較大的有:(1)工況2為7.31t，出現(xiàn)在輔運大巷(右邊巷道)，見圖2;(2)工況3為4.395 MPa，出現(xiàn)在輔運大巷;(3)工況4為11.58t，出現(xiàn)在主運大巷(新掘主運大巷)。

兩幫錨索的應力值較大的有:(1)工況1為29.5 t，出現(xiàn)在回風大巷(左邊巷道);(2)工況2為30.37 t，出現(xiàn)在回風大巷;(3)工況5為20.89 t，出現(xiàn)在回風大巷;(4)工況6為21.03 t，出現(xiàn)在回風大巷。由此可見，錨索應力較大的情況集中在工況二中的回風大巷。開挖主運大巷之后，左輔運大巷的錨索應力相應變小。因此工況2、工況3和工況4的錨桿受力較大，工況5和工況6錨桿錨索受力較小的三條巷道錨桿錨索受力狀況較好，錨桿最大受力狀圖如表4。

圖2 錨桿應力圖

表5 各大巷最危險斷面的錨桿最大應力(t)

3.3 SZZ垂直應力分析

未開挖主運大巷時，在工況1的最大垂直壓應力都出現(xiàn)在各巷道兩幫附近，最大為6.4 MPa。

開挖主運大巷之后，(1)最大垂直壓應力都出現(xiàn)在各巷道兩幫附近，工況4最大垂直壓應力為7.1 MPa，出現(xiàn)在的主運大巷左幫;見圖3。開挖主運大巷后，兩幫附近的垂直壓應力相應增大。主運大巷的開挖對兩邊巷道的兩幫附近應力有一定的影響，垂直應力的增幅在10%左右。

3.4 塑性區(qū)分析

從前5個工況的塑性區(qū)分析來看，各巷道兩幫的剪切破壞比較嚴重，剪切破壞也主要集中在巷道兩幫。底板附近，尤其是底板中間部位存在拉伸破壞，拉伸破壞的范圍在0.8～1.2 m左右。在巷道沿底板的工況下，頂板中間附近存在拉伸破壞，范圍在1.2～1.3 m左右。

與其他工況相比，工況6的塑性區(qū)呈現(xiàn)出最不利的情況，見圖4。回風大巷兩幫、主運大巷兩幫、輔運大巷兩幫的剪切破壞比較嚴重;回風大巷底板和主運大巷頂板存在剪切破壞和拉伸破壞，輔運大巷底板拉伸破壞比較嚴重，范圍都在1.32 m左右，其中輔運大巷底板中間拉伸破壞范圍較大，在2.7 m左右。因此應淘汰方案6。

圖3 工況6的SZZ垂直應力分布

圖4 工況6的塑性區(qū)分布

4 結(jié)論

1)由位移分析可知，開挖主運大巷之前，先期刷擴的巷道的底板最大隆起為126.7 mm，頂板最大下沉為141.4mm，兩幫位移最大為42.2mm;開挖主運大巷之后，先期刷擴的巷道的底板最大隆起為125.5 mm，頂板最大下沉為152 mm，兩幫位移最大為43.8 mm。

2)由錨桿受力分析可得，開挖主運大巷之前，左右兩側(cè)巷道的錨索應力較大，達到30t左右，開挖主運大巷之后，左右兩巷道的錨索應力出現(xiàn)較大幅度減小的現(xiàn)象，其中工況5的錨桿受力狀況較好。

3)SZZ垂直應力分布分析可看出，主運大巷開挖前和開挖后，垂直應力分量差別不大，壓應力主要集中在主運大巷的兩幫。巷道的塑性區(qū)分析可知工況6的圍巖狀況惡化，綜合考慮選擇工況5，即回風大巷沿頂板，輔運大巷沿頂板，主運大巷沿頂板。

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