曙光煤礦1212大斷面煤巷支護(hù)技術(shù)模擬研究

李洪賓 薛華俊* 梁 斌 何天宇 李濤濤

(1.曙光煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西呂梁 032308;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 工程概況

曙光煤礦1212工作面屬于二迭系下統(tǒng)山西組2號(hào)煤層，煤層厚度平均為2.5 m，偽頂為泥質(zhì)頁巖，厚0.4 m，中間夾二層矸石，煤層結(jié)構(gòu)為 0.86(0.59)0.13(0.12)0.8，煤層傾角為 0°～ 10°，該煤呈塊狀，半亮形煤，穩(wěn)定可采。1212運(yùn)輸巷道斷面為矩形，巷道寬5 m，高3 m，斷面積為15 m2，屬于大斷面煤巷，巷道支護(hù)困難，所以曙光煤礦1212運(yùn)輸巷安全快速掘進(jìn)與支護(hù)，是保證曙光煤礦安全高效生產(chǎn)的重要保障。

2 支護(hù)模型建立

為使曙光煤礦1212運(yùn)輸巷支護(hù)方案安全與經(jīng)濟(jì)，這里采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)1212運(yùn)輸巷支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化研究。模擬巷道斷面為矩形，寬5 m，高3 m。巷道模型寬度取55 m，巷道寬度方向取5倍巷道寬度的距離;高度方面，根據(jù)巷道頂?shù)装鍘r層的層數(shù)和各巖層的厚度，巷道頂板巖層取14.8 m，底板取12.9 m，即高度取30.7 m;對(duì)巷道走向沒有具體要求，為考慮模擬過程考察錨桿間排距對(duì)支護(hù)效果的影響，取20 m，因此模型的尺寸為55 m×30.7 m×20 m。模型共包含14個(gè)巖層。模型單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示［1-4］。

圖1 曙光煤礦1212運(yùn)輸巷FLAC3D模型

3 支護(hù)方案模擬研究

在特定的客觀條件下，錨桿支護(hù)效果與錨桿長度、錨桿直徑、錨桿間排距、鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)、錨索長度等多個(gè)因素有關(guān)。這里主要考察錨桿長度、間排距、錨索對(duì)支護(hù)效果的影響。

3.1 錨桿長度分析

采用單因素考察法，其他支護(hù)參數(shù)相同，改變錨桿長度，考察巷道圍巖變形和應(yīng)力分布情況。頂板采用直徑22 mm的左旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配合錨索、鋼帶和金屬網(wǎng);兩幫采用直徑16 mm的A3圓鋼錨桿，配合鋼帶和金屬網(wǎng)，頂板和兩幫錨桿間排距均取900 mm×1 000 mm。根據(jù)工程類比法提出的支護(hù)參數(shù)，具體模擬方案見表1。

表1 錨桿長度分析模擬方案 m

模擬結(jié)果顯示，巷道圍巖位移云圖分布規(guī)律相似。水平位移主要出現(xiàn)在兩幫，并且最大應(yīng)力位于巷道兩幫中部靠上的位置。垂直位移主要存在于巷道頂板和底板，巷道頂板下沉量最大位置位于頂板中部，且頂板下沉量大于底鼓量，說明圍巖自重應(yīng)力對(duì)圍巖變形影響較大。方案一的圍巖位移云圖如圖2所示。

圖2 方案一巷道圍巖位移云圖

為了考察不同錨桿長度對(duì)支護(hù)效果的影響，對(duì)各方案的巷道兩幫圍巖最大水平位移和頂?shù)装宓淖畲蟠怪蔽灰七M(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表2所示?？梢钥闯?，隨著錨桿長度的增加，兩幫移近量先是呈線性下降，錨桿長度大于2.6 m之后不再有明顯的變化。因此，兩幫錨桿的長度以不超過2.6 m為宜。隨著錨桿長度的增加，頂板下沉量也是先呈線性下降，錨桿長度大于2.4 m之后不再有明顯變化，因此，頂板錨桿長度以不超過2.4 m為宜。

表2 不同錨桿長度下圍巖最大變形量 mm

通過上述分析可知，單純?cè)黾渝^桿長度對(duì)控制巷道圍巖變形有一定的作用，但當(dāng)錨桿達(dá)到一定長度之后，圍巖最大變形量不再有明顯的變化。

3.2 錨桿間排距分析

根據(jù)巷道斷面尺寸，模擬了巷道頂板和兩幫錨桿不同間排距的9種方案，具體參數(shù)見表3。

表3 錨桿間排距模擬方案

根據(jù)模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)了9種方案下巷道圍巖的最大水平位移量和最大垂直位移量，如表4所示。隨著錨桿間排距的增大，巷道兩幫和頂板的最大位移量都有所增大，但變化不大，巷道底鼓量基本不變。因此，從控制巷道最大變形量的角度出發(fā)，單純?cè)黾渝^桿間排距意義不大。

表4 不同錨桿間排距下巷道最大位移量 mm

圖3和圖4分別為方案1和方案9的巷道圍巖水平位移云圖和垂直位移云圖。不同錨桿間排距下圍巖的位移云圖分布規(guī)律是相同的，最大位移量都出現(xiàn)在巷道兩幫的中間或頂?shù)装逯虚g。從表4的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，減小錨桿間排距對(duì)控制巷道圍巖的最大位移量有限，但從圍巖位移云圖中可以看出，在一定深度的圍巖內(nèi)，位移量可相差10 mm，這在實(shí)際巷道支護(hù)中是重要的。模擬的巷道圍巖是均質(zhì)的連續(xù)體，且不能模擬斷裂和脫落等情況，和實(shí)際巖體有很大區(qū)別。實(shí)際支護(hù)中表面圍巖變形后如不采取相應(yīng)措施會(huì)脫落或斷裂，繼而導(dǎo)致圍巖變形不斷向深部發(fā)展，不利于保持圍巖穩(wěn)定性。因此，保證一定的錨桿間排距對(duì)維持巷道圍巖穩(wěn)定性有重要作用。

圖3 不同間排距下的圍巖水平位移云圖

圖4 不同間排距下的圍巖垂直位移云圖

3.3 錨索作用分析

為考察錨索長度對(duì)支護(hù)效果的影響，在錨索間排距為3 000 mm×950 mm條件下，分別模擬錨索長度為5 m，6 m，7 m，8 m，9 m五種長度。

統(tǒng)計(jì)五種錨索長度下巷道圍巖最大水平位移量和垂直位移量，如表5所示。圍巖最大位移量基本沒有變化，由此說明，在錨桿+鋼帶聯(lián)合支護(hù)作用下，增加錨索或增加錨索長度對(duì)控制圍巖最大位移量沒有效果。圖5和圖6為錨索長5 m和錨索長9 m情況下圍巖水平位移云圖和垂直位移云圖，位移分布和位移量幾乎完全一致。

表5 不同錨索長度下巷道圍巖最大位移量 mm

圖5 不同錨索長度下圍巖水平位移云圖

圖6 不同錨索長度下圍巖垂直位移云圖

增加錨索以后圍巖位移基本沒有改變是受多個(gè)因素影響的。因?yàn)槟M中的材料是均質(zhì)的且不能產(chǎn)生離層，錨索的作用不能夠得到有效發(fā)揮;另外，錨桿和鋼帶聯(lián)合支護(hù)已經(jīng)把圍巖位移和應(yīng)力狀態(tài)控制在良好的水平，錨索的作用也在一定程度上受限制不能發(fā)揮。在實(shí)際支護(hù)過程中，錨索的主要作用是補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，防止淺部圍巖離層產(chǎn)生冒頂，起到預(yù)防事故的作用。錨索的長度只需要滿足把錨桿支護(hù)體系懸吊于上部穩(wěn)定巖層的條件即可。

4 結(jié)語

1)通過對(duì)6種不同長度的錨桿的FLAC模擬分析，得出錨桿長度越長，巷道的兩幫移近、頂板底板移近也越小，通過比較頂板錨桿長度為2.4 m，兩幫錨桿長度為2.2 m(方案4)時(shí)，圍巖最大變形量比較穩(wěn)定，再增加錨桿長度，圍巖變形量不再有明顯的變化。2)通過對(duì)9種相同長度，不同間排距的錨桿的FLAC模擬分析，得出改變錨桿的間排距對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布和最大位移量的影響有限，但保證一定的錨桿間排距對(duì)維持巷道圍巖穩(wěn)定性有重要作用。3)增加錨索以后圍巖位移和應(yīng)力狀態(tài)雖然基本沒有什么變化，但是錨索對(duì)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)和預(yù)防冒頂事故有著非常積極的作用。

［1］薛華俊，宋建成，李中州，等.深井巖巷掘進(jìn)中的圍巖應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值分析［J］.中國礦業(yè)，2013，22(5):83-87.

［2］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［3］王茂源，薛華俊，白曉生，等.基于FLAC3D的煤巷支護(hù)方案優(yōu)化及應(yīng)用［J］.中國煤炭，2012，38(9):40-42.

［4］何滿潮.軟巖巷道工程概論［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1993.