深部軟巖巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

鄧飛， 夏弋江， 羅福友， 劉后明， 胡龍飛， 劉建偉

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；2.江西省豐城礦務(wù)局曲江公司，江西 豐城 331100）

0 引 言

目前，由于淺部埋藏的煤炭資源日益減少，并漸漸枯竭[1-2]，深部埋藏的資源正逐漸成為主要開采的對(duì)象.巷道應(yīng)力環(huán)境與其所處的深度緊密相關(guān)[3-7]，開采越深，通常巷道所受應(yīng)力越大，尤其是煤礦開采過程中，高應(yīng)力、難支護(hù)問題隨著開采深度的增加而愈明顯.近年來，F(xiàn)LAC[8-15]等數(shù)值模擬軟件廣泛運(yùn)用于巷道開挖設(shè)計(jì)與支護(hù)及采空區(qū)處理等環(huán)節(jié).本文基于FLAC2D軟件，研究了某礦601工作面的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)對(duì)比分析新舊方案，得出新方案對(duì)圍巖的控制更有效，并將新方案運(yùn)用于工程實(shí)際.

1 工程概況

某礦601工作面是布置于西二采區(qū)-850 m水平，因未受開采影響巷道壓力相對(duì)穩(wěn)定，工作面的井下標(biāo)高為-723.88 m，掘進(jìn)方位為248°，設(shè)計(jì)走向長度約為800 m，傾斜長度為40 m.因工作面處于-850 m，該工作面的巷道埋深很大，地壓顯現(xiàn)很明顯，圍巖的受力也復(fù)雜，煤巖被開挖后巷道變形大，需及時(shí)進(jìn)行支護(hù).地表為泥土覆蓋的平原，地勢(shì)較緩，地面多為農(nóng)田和荒地，有少量的村莊和建筑.地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，斷層相對(duì)發(fā)育，斷層落差范圍為0～30 m，主要為正斷層，這樣就破壞了煤層的連續(xù)性.B4煤層，煤厚（2.8±0.2）m，煤層硬度f=0.6，傾角為12°，煤層層理屬于中等發(fā)育，地溫在25～27℃，容重為1.47 t/m3，煤層受構(gòu)造的影響，松軟破碎，煤層中含泥巖夾矸.其煤層的頂?shù)装宓那闆r見表1.

礦區(qū)水文條件較為簡單，在對(duì)其進(jìn)行開挖施工時(shí)不會(huì)出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象，有的地方可能有頂板漏水現(xiàn)象，但對(duì)掘進(jìn)施工也不會(huì)有影響.

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 數(shù)值模型的建立

深部高應(yīng)力條件下的煤層的賦存條件相對(duì)復(fù)雜，且圍巖的種類可能也比較多，其中圍巖成分是以粉砂巖、細(xì)砂巖、炭泥巖和煤為主，為了對(duì)模型進(jìn)行簡化，研究選取了最具代表性的且在整個(gè)區(qū)域分布最廣泛的巖體作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行模擬分析.采用FLAC2D軟件來分析巷道原支護(hù)方案和新支護(hù)方案的變形情況.巷道均寬2.6 m，均高3.4 m，長為132～168 m.所以，建立尺寸為200 m×100 m的二維平面模型.模型的上邊界施加與所覆巖層等效均勻載荷，為應(yīng)力約束，下邊界垂直位移被約束，兩側(cè)邊界水平位移被約束.模型計(jì)算時(shí)，等效巖體力學(xué)參數(shù)見表2.模型初始平衡狀態(tài)應(yīng)力分布情況見圖1.

表2 模型中各巖體等效參數(shù)

圖1 初始應(yīng)力狀態(tài)

2.2 支護(hù)參數(shù)的選擇與模擬計(jì)算

原方案：在巷道頂部每排安設(shè)3根錨索，4根錨桿，幫部也分別設(shè)置了5根錨桿.

新方案：新支護(hù)方案相對(duì)于原支護(hù)方案，主要是在巷道頂?shù)?個(gè)角增加了預(yù)應(yīng)力桁架錨索，使頂板和兩幫分別構(gòu)成一套錨索梁系統(tǒng).

為了得出更有效的支護(hù)方案，對(duì)2種支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析.兩支護(hù)方案模型見圖2.原支護(hù)方案設(shè)計(jì)就是在新支護(hù)方案結(jié)構(gòu)中去掉所有的桁架結(jié)構(gòu).數(shù)值模擬步驟為：①建模、初始應(yīng)力平衡計(jì)算；②巷道開挖；③按照相應(yīng)支護(hù)方案及時(shí)支護(hù)；④處理得到支護(hù)后相關(guān)云圖及讀取頂?shù)装搴蛢蓭臀灰屏?3種支護(hù)結(jié)構(gòu)都用錨索單元 （cable）全長錨固模擬，主要支護(hù)參數(shù)設(shè)置見表3、表4.對(duì)于錨索的預(yù)應(yīng)力設(shè)置要使用SEL cable pretension命令來實(shí)現(xiàn)，正值表示錨索、錨桿的拉伸.

圖2 支護(hù)方案模型

表3 支護(hù)方案參數(shù)

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖應(yīng)力分布

從應(yīng)力等值圖3可知：圖3（a）中巷道頂?shù)装寮皟杉绺C處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，圖3（b）中巷道兩幫應(yīng)力集中，應(yīng)力較大.說明軟巖處于較高應(yīng)力條件下，該支護(hù)結(jié)構(gòu)與深部穩(wěn)固巖層沒有形成有效的支護(hù)系統(tǒng).

圖3 原支護(hù)方案應(yīng)力等值圖

圖4 新支護(hù)方案應(yīng)力等值圖

從應(yīng)力等值圖4可以看出，圖4（a）應(yīng)力僅在巷道兩肩角處出現(xiàn)集中，而頂板中央處未出現(xiàn)應(yīng)力集中，說明該支護(hù)系統(tǒng)能夠改善頂板下沉量大的現(xiàn)象.圖4（b）可看出，兩幫巖體深處出現(xiàn)中應(yīng)力集中，由于距離兩幫較遠(yuǎn)，所以兩幫的位移量較小.圖4中雖然兩幫和肩角處都出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但這是因?yàn)閼?yīng)力集中處布置的45°桁架錨索將高應(yīng)力引入巖層深處.它產(chǎn)生的作用力可分解為水平和垂直方向，垂直桁架的力使得它形成“梁”結(jié)構(gòu).這屬于以深部穩(wěn)定圍巖的小變形來降低巷道的大變形[16]，其支護(hù)形式和原理見圖5、圖6.

3.2 巷道圍巖塑性區(qū)分布

圖7（a）顯示，原支護(hù)方案塑性區(qū)大，且由于頂巖組成復(fù)雜，中間夾雜2煤層，與其他巖層相比強(qiáng)度較低，已經(jīng)屈服，所以，在加載過程中頂板中出現(xiàn)顯著離層.因此，原支護(hù)方案效果不佳，必須進(jìn)行改進(jìn)，但這里可以肯定的是原錨索的設(shè)計(jì)長度9 m符合要求，9 m長的錨索已經(jīng)深入穩(wěn)固巖層中，對(duì)頂板巖層有懸吊作用，因此，在新方案中繼續(xù)采用9 m長的錨索.

圖5 頂板桁架支護(hù)形式

圖6 幫部桁架支護(hù)形式

圖7 塑性區(qū)分布

圖7（b）塑性區(qū)范圍顯示，改進(jìn)后新方案比原方案更佳，因?yàn)轫敯鍩o離層現(xiàn)象，且巷道圍巖塑性區(qū)整體和局部都比原支護(hù)方案更小.分析原因可知，主要是新支護(hù)方案中巷道肩角和底腳處的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑤^高的應(yīng)力傳遞給深部巖體.其原理與上述應(yīng)力分析部分相同.

3.3 巷道圍巖位移分析

衡量巷道支護(hù)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一是巷道圍巖位移變化.不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)位置等使得巷道圍巖發(fā)生的位移變化有所不同，支護(hù)效果也不同.

從表5可知，按原支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)后巷道兩幫變形還是較嚴(yán)重，變形量達(dá)到了1 m左右，兩幫巖體已經(jīng)脫離；對(duì)于底板，底鼓值也達(dá)到了0.24 m，底鼓以后可使巷道內(nèi)的軌道和設(shè)施都發(fā)生傾斜偏移，巷道維修工程加大；頂板的下沉量為0.074 m.模擬結(jié)果顯示的頂板下沉量并不是很明顯，而實(shí)際上，該礦區(qū)模擬處的巷道處于高應(yīng)力、高溫及高滲透的巖層中，巷道變化較大.頂板下沉原因：巷道中央頂板巖層基本無承載能力，破壞嚴(yán)重，錨索、錨桿與破碎頂板一起下沉，起支護(hù)作用的槽鋼被壓彎、扭曲，從而導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)效用低，甚至完全失效.正因?yàn)閮蓭偷淖冃螞]有得到合理控制，兩幫變形以后，釋放水平方向的應(yīng)力以后，垂直方向也就會(huì)發(fā)生變形，進(jìn)而造成頂?shù)装遄冃?

表5 兩方案巷道圍巖位移量對(duì)比

新支護(hù)方案中，巷道的變形有所改善，頂板、底板和兩幫的位移分別為原支護(hù)方案的16.2%、42.1%和1.1%.由于采用預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)，兩幫的支護(hù)效果尤為明顯，正因?yàn)樾碌闹ёo(hù)方式減緩了其他巖層壓力向頂?shù)装宓霓D(zhuǎn)移，從而能夠很大程度地降低頂?shù)装宓淖冃?因?yàn)轫敯逄幰策\(yùn)用了新的支護(hù)方式，所以其位移量相對(duì)底板減少的更顯著.

4 結(jié) 論

以某礦601工作面的順槽支護(hù)為背景，運(yùn)用FLCA2D模擬實(shí)煤體巷道不同支護(hù)方案，通過對(duì)模擬結(jié)果比較和分析，得到以下結(jié)論：

（1）采用傳統(tǒng)的錨桿錨索支護(hù)方案加固后的巷道，變形仍然很大，因?yàn)殄^固點(diǎn)布置于頂板淺處，容易與頂板整體下沉，而桁架支護(hù)的錨固點(diǎn)位于巷道兩肩窩深部巖體，很穩(wěn)固，能夠承受較大的荷載；

（2）根據(jù)桁架支護(hù)的原理可知，位于兩肩角處的桁架與鋼絞線形成的支護(hù)網(wǎng)或面，其效果明顯優(yōu)于原支護(hù)方案中的錨索點(diǎn)支護(hù)；

在對(duì)新支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)并對(duì)支護(hù)巷道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)新方案確實(shí)比原方案支護(hù)效果好，證明該支護(hù)方案有效可行，值得推廣應(yīng)用.

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