三軟煤層大巷修復(fù)技術(shù)數(shù)值模擬

王之宇，周春生，張國春

(商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛726000)

三軟煤層大巷修復(fù)技術(shù)數(shù)值模擬

王之宇，周春生，張國春

(商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛726000)

用三維有限差分法數(shù)值計算程序FLAC3D，模擬了錨網(wǎng)噴、架棚等多種支護(hù)條件下巷道的變形和破壞。分析表明，大巷發(fā)生的嚴(yán)重變形破壞是由于多種因素所致，其中采動壓力是引起巷道變形破壞的主因。數(shù)值模擬結(jié)果對選用合理大巷支護(hù)方式具有一定參考意義，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬軟件能較好地應(yīng)用于現(xiàn)場。

數(shù)值模擬；軟巖；巷道支護(hù)

長期以來國內(nèi)外學(xué)者對軟巖礦井做了大量研究。國內(nèi)把具有軟、弱、松散、遇水膨脹、高地應(yīng)力等特征的圍巖稱為軟巖[1]。把主采煤層為軟煤，且頂板和底板均為軟巖的煤層稱為三軟煤層[2]。陜西地下礦山中賦存有三軟煤層的礦井分布十分廣泛，隨著開采深度增加，支護(hù)問題愈趨嚴(yán)重，直接影響礦山安全生產(chǎn)[3]。陜西雙龍煤礦受工作面布置以及三軟地質(zhì)條件等因素的影響，出現(xiàn)了兩條大巷嚴(yán)重變形破壞，難以支護(hù)的情況。根據(jù)雙龍煤礦大巷的圍巖特征，屬于膨脹性和高地應(yīng)力的復(fù)合型軟巖。受工作面采動影響較大，巷道變形還在持續(xù)，屬于動壓巷道。修復(fù)和支護(hù)存在較大難度，加固圍巖困難很大[4]，用傳統(tǒng)試驗方法尋求解決這一問題的辦法較為不易。數(shù)值模擬技術(shù)能較好地模擬地質(zhì)材料的力學(xué)行為，可為解決雙龍煤礦大巷支護(hù)問題提供參考。

1 研究區(qū)概況

陜西雙龍煤礦在黃陵縣雙龍鎮(zhèn)南部，井田東西寬為1.6-4 km，南北長3 km，總面積8.55 km2。井田傾角為5°，為向斜構(gòu)造。夾矸是黑色泥巖，煤層頂板是粉細(xì)砂巖、泥巖互層，底板為泥巖、根土巖，井田范圍內(nèi)水文地質(zhì)屬簡單型。礦井的最大涌水量為50 m3·h-1。

回風(fēng)大巷在煤層中，運輸大巷在頂板粉細(xì)砂巖互層中，由于受多種因素影響，兩條大巷出現(xiàn)嚴(yán)重破壞變形，斷面縮小，頂、幫開裂，局部有脫落（圖1），對礦山安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

2 力學(xué)試驗

2.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要有ZS-100型自動鉆石機(jī)、WE-10型萬能材料試驗機(jī)和GCTC PLT-110 POINT LOAD TESTER，巖樣尺寸用游標(biāo)卡尺量測。

2.2 試驗過程

2.2.1 巖樣試驗

取一巖樣放入清水中，浸泡15 h，巖樣膨脹并斷裂成為三層。巖樣最底部全部沒于水中的部分強(qiáng)度很低，稍微加壓便成為碎渣，位于中間的部分?jǐn)嗔殉扇龎K，而最上層未沒入水中部分則相對完整（圖2）。

圖2 巖樣遇水?dāng)嗔?/p>

隨后進(jìn)行點載荷試驗。先測量各個巖樣尺寸，并放置在儀器上，手動加載直至試樣破壞，記錄讀數(shù)，并用游標(biāo)卡尺測量斷口尺寸。

2.2.2 煤樣試驗

用WE-10型萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行煤樣抗壓、抗拉、抗剪試驗。

2.3 試驗結(jié)果

巖樣浸泡試驗說明該巷道圍巖為泥巖，遇水極易膨脹破碎。根據(jù)點載荷儀的試驗結(jié)果，巖樣的平均破壞載荷為2.75 kN，強(qiáng)度指標(biāo)為1.62 MPa，抗壓強(qiáng)度為21.61 MPa，普氏系數(shù)是2.16。

煤樣抗壓試驗測得平均破壞載荷為38.2 kN，平均抗壓強(qiáng)度為20.12MPa。橫向應(yīng)變x與應(yīng)力y的關(guān)系函數(shù)為：y=0.0142x-1.1618，R2=0.997；縱向應(yīng)變x與應(yīng)力y的關(guān)系函數(shù)為：y=-0.0037-0.5011，R2=0.994。

煤樣抗拉試驗測得平均破壞載荷為1.41 kN，平均抗拉強(qiáng)度為0.37 MPa。

煤樣抗剪試驗分別測試了35°、45°、55°、65°和75°的抗剪強(qiáng)度，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 煤樣抗剪試驗結(jié)果

3 數(shù)值計算

3.1 數(shù)值計算參數(shù)

根據(jù)煤巖力學(xué)試驗結(jié)果和地質(zhì)資料，得出煤層及主要巖層物理力學(xué)參數(shù)。用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體破壞[5]：

式中，σ1—最大主應(yīng)力；σ3—最小主應(yīng)力；c—粘結(jié)力；φ—摩擦角。

3.2 數(shù)值模型

建立回風(fēng)大巷、運輸大巷及工作面的三維數(shù)值計算模型，三維模型用Generate命令生成[6]，尺寸為1000 m×700 m×627 m，巷道到山谷的距離約為200 m，山峰到山谷的距離約為180 m，巷道沿Y軸正方向推進(jìn)，采用的模型為Mohr-Coulomb[7]，應(yīng)變模式為大應(yīng)變變形模式，煤巖層用brick單元模擬[8]，模型的底部限制垂直方向移動，側(cè)面限制水平方向移動，模型整體由53萬個單元組成，包括了56萬個節(jié)點。

圖3為用FLAC3D創(chuàng)建的三維數(shù)值計算模型，圖4為兩條大巷所在模型的局部截面。在開挖計算前，需要進(jìn)行初始平衡計算，使巖層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)[9]。

圖3 數(shù)值模型

圖4 大巷截面

4 結(jié)果與分析

4.1 工作面回采后大巷位移特征

隨著1304工作面回采，大巷位移增大較明顯，運輸大巷右?guī)秃晚敯逦灰圃黾拥?020 mm，底板和左幫增至840 mm（圖5）?；仫L(fēng)大巷頂扳位移由800 mm增大到1400 mm，兩幫和底板位移分別增加至400 m和220 mm（圖6）。

圖5 工作面回采后運輸大巷位移特征

圖6 工作面回采后回風(fēng)大巷位移特征

4.2 架棚支護(hù)后大巷位移特征

從圖7可以看出，運輸大巷和回風(fēng)大巷圍巖位移得到很好地控制，運輸大巷右?guī)秃晚敯宓奈灰茷?0 mm，底板和左幫位移比較小，為40 mm?；仫L(fēng)大巷的兩幫位移在165 mm左右，巷道底板和拱頂位移在80 mm左右，兩條巷道頂板的上覆巖層位移在55 mm左右。說明鋼棚的支護(hù)作用顯著，而回風(fēng)大巷兩幫需要強(qiáng)化支護(hù)。

圖7 大巷位移特征

5 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，大巷變形破壞是由于多種因素所致，其中采動壓力是引起巷道變形破壞的主因。在采動壓力影響之前，巷道底板泥巖遇水膨脹是造成巷道嚴(yán)重變形的重要原因。架棚支護(hù)效果顯著，在錨網(wǎng)噴支護(hù)的基礎(chǔ)上架設(shè)U型鋼可縮性支架可以有效防止巷道發(fā)生進(jìn)一步變形。

[1]Hisatake M,Ohno S.Effects of pipe roof supports and the excavation method on the displacements above a tunnel face[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2008,50(6)：101-102.

[2]Stankus Johc C,Syd S Peng.A new concept for roof support[J].Coal Age,1996,38(10)：87-88.

[3]劉長武.軟巖巷道錨注加固原理與應(yīng)用[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2000：62-63.

[4]王之宇.雙龍煤礦“三軟”大巷采動損壞修復(fù)技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué),2013：15-16.

[5]張 開,朱 敏,張建剛,等.深部軟巖巷道開挖變形影響因素的數(shù)值分析[J].煤礦安全,2012,43(1)：148-152.

[6]段慶偉,何滿潮,張世國.復(fù)雜條件下圍巖變形特征數(shù)值模擬研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2002,30(6)：55-58.

[7]伍永平,潘 潔,解盤石,等.大傾角煤層堅硬頂板預(yù)裂弱化的數(shù)值分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2010,30(1)：81-82.

[8]李 晨,蘇海健,胡 磊.深部極軟巖巷道穩(wěn)定性及支護(hù)分析[J].煤礦安全,2012,43(1)：156-159.

[9]王其勝,李夕兵,姚金蕊.深井軟巖巷道破壞原因及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].中國礦業(yè),2007,16(11)：77-80.

（責(zé)任編輯：李堆淑）

Numerical Simulation on Repair Technique of Three-soft Seam Main Roadway

WANG Zhi-yu，ZHOU Chun-sheng，ZHANG Guo-chun
（College of Chemical Engineering and Modern Materials,Shangluo University/Shaanxi Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources,Shangluo University,Shangluo 726000,Shaanxi)

Simulated the deformation and breakage in roadway under different support scheme with FLAC3Dprogram.According to the analysis it is concluded that the roadway deformation and failure due to a variety of reasons.Among them,the mining pressure is the primary reason of roadway deformation or destruction.The results of numerical analysis can provide a certain reference for selecting reasonable support patterns of main roadway,and FLAC3Dprogram can be used at on-site mining.

numerical simulation；soft rock；main roadway support

TD353

：A

：1674-0033（2014）06-0048-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2014.06.014

2014-09-21

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目（2012KTDZ02-02-01）

王之宇，男，陜西商州人，碩士，助教