深井沿空順槽主控支護(hù)技術(shù)數(shù)值模擬研究

馬紀(jì)平 武泉林

(1.同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限公司；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

深井沿空順槽主控支護(hù)技術(shù)數(shù)值模擬研究

馬紀(jì)平1武泉林2

(1.同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限公司；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

以山東某礦為工程背景，對其深井沿空順槽進(jìn)行了可行性支護(hù)方案設(shè)計(jì)，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法論證了設(shè)計(jì)方案的可靠性。研究表明：選用φ20 mm×2 200 mm無縱筋螺紋鋼錨桿作為頂錨桿，φ20 mm×2 000 mm無縱筋螺紋鋼錨桿作為幫錨桿，錨桿間排距為800 mm×900 mm；選用φ17.8 mm×6 000 mm的左旋預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為2 400 mm×900 mm，符合支護(hù)要求，對深井沿空順槽支護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。

沿空順槽 支護(hù) 數(shù)值模擬

隨著礦井開采深度的不斷增大，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，巷道圍巖表現(xiàn)出與淺部巷道不同的特點(diǎn)，圍巖體出現(xiàn)明顯的大變形、高應(yīng)力、長時(shí)間持續(xù)蠕變等，支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)難度越來越大[1]。尤其在沿空順槽一側(cè)支承壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力，給支護(hù)帶來了一系列的問題。本文設(shè)計(jì)了深井沿空順槽支護(hù)參數(shù)，運(yùn)用數(shù)值模擬分析了支護(hù)參數(shù)的可靠性，為以后深井沿空順槽支護(hù)提供了可靠依據(jù)。

1 地質(zhì)條件

山東某井田位于巨野煤田中北部，山東省鄆城縣境內(nèi)。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240萬t/a，為全隱蔽型井田，新生界地層厚，采用立井開拓方式。設(shè)計(jì)3個(gè)井筒，主井深度853 m，副井深度883 m，風(fēng)井深度778 m，是魯西南地區(qū)較深的礦井之一。1303順槽煤層頂?shù)装寰?0 m左右的泥巖分布，水文地質(zhì)復(fù)雜，預(yù)掘順槽具有泄水功能。該順槽為沿空預(yù)掘巷道，巷道受采煤工作面超前、側(cè)向及采后支承壓力的影響，采深大、地應(yīng)力高，屬于動(dòng)壓復(fù)雜條件下的沿空順槽支護(hù)，支護(hù)難度較大。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 巷道斷面

1303軌順為矩形斷面，巷道斷面尺寸(荒)(寬×高)為4.6 m×3.0 m、凈尺寸(寬×高)為4.1 m×2.9 m。

2.2 巷道斷面支護(hù)

2.2.1 臨時(shí)支護(hù)

采用4根長4 m、φ89 mm×5 mm的鋼管制作吊掛式前探梁，分別吊掛在頂板巷中相鄰的錨桿上，每根前探梁用3個(gè)懸吊點(diǎn)固定。每掘一循環(huán)，迎頭作業(yè)人員在錨網(wǎng)支護(hù)完好的頂板下敲幫問頂，找凈頂板及迎頭的浮矸活石，鋪設(shè)金屬網(wǎng)并聯(lián)接好。然后用前探梁托住頂網(wǎng)，前移至迎頭，在前探梁上金屬網(wǎng)下背實(shí)木背板。施工人員在臨時(shí)支護(hù)下打設(shè)錨桿，最小控頂距不大于0.3 m，最大控頂距不大于1.9 m。

2.2.2 永久支護(hù)

根據(jù)現(xiàn)有的礦山地質(zhì)條件和順槽支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)1303軌順，采用錨網(wǎng)索+W鋼帶聯(lián)合支護(hù)。按懸吊理論計(jì)算錨桿[2]參數(shù)。

(1)計(jì)算錨桿長度。

(1)

式中,Ld1為頂錨桿長度，m；H1為冒落高度，m；K為安全系數(shù)，一般取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層深度，一般取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.1 m；LB1為幫錨桿長度；B為巷道開掘?qū)挾龋?.7 m；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取3.5。

將各參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得：Ld1=1.94 m,LB1=1.81 m.

(2)計(jì)算錨桿間、排距。

(2)

式中,Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，100 kN/根；γ為被懸吊泥、砂巖的重力密度，取25.48 kN/m3。

將各參數(shù)代入式(2)，計(jì)算得a1=1.71 m.

(3)計(jì)算錨索長度。

(3)

將各參數(shù)代入式(3)，計(jì)算得L=2.54 m.

(4)計(jì)算錨索間、排距。

(4)

式中,Q′為錨索設(shè)計(jì)錨固力，120 kN/根。

將參數(shù)代入式(4)，計(jì)算得a2=1.87 m.

通過以上計(jì)算，選用φ20 mm×2 200 mm的無縱筋螺紋鋼錨桿作為頂錨桿，φ20 mm×2 000 mm的無縱筋螺紋鋼錨桿作為幫錨桿，錨桿間排距確定為800 mm×900 mm；選用φ17.8 mm×6 000 mm的左旋預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索間排距為2 400 mm×900 mm，符合支護(hù)要求。

3 數(shù)值模擬軟件與數(shù)值模擬

3.1 模擬軟件介紹

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對煤柱底板應(yīng)力的傳播規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。FLAC3D數(shù)值模擬軟件是三維快速拉格朗日法分析程序，可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)特性，能較好的模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞，特別適用于分析漸進(jìn)破壞失穩(wěn)以及模擬大變形。該軟件包含11種彈塑性材料本構(gòu)模型，有靜力、動(dòng)力、蠕變、滲流、溫度等多種計(jì)算模式，各種模式之間可以相互耦合作用[3]。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證支護(hù)方案的有效性和合理性，對巷道掘進(jìn)50 m時(shí)無支護(hù)狀態(tài)下和支護(hù)狀態(tài)下的垂直方向位移和水平方向位移進(jìn)行了模擬。如圖1、圖2所示。

圖1 巷道掘進(jìn)50 m垂直方向位移云圖

圖2 巷道掘進(jìn)50 m水平方向位移云圖

由圖1可見，當(dāng)巷道掘進(jìn)50 m時(shí)，巷道頂板在無支護(hù)狀態(tài)垂直方向最大位移量為40 cm左右，而支護(hù)狀態(tài)下有35 cm左右；對比圖2可知，水平方向兩幫移近量相差比較明顯，有27 cm左右，由此也可以證明，巷道掘進(jìn)支護(hù)方案是可以滿足安全生產(chǎn)需求的。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)某礦現(xiàn)有的礦山地質(zhì)條件和1303工作面的順槽支護(hù)經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算結(jié)果，選用φ20 mm×2 200 mm 無縱筋螺紋鋼錨桿作為頂錨桿，φ20 mm×2 000 mm無縱筋螺紋鋼錨桿作為幫錨桿，間排距為800 mm×900 mm；選用φ17.8 mm×6 000 mm的左旋預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為2 400 mm×900 mm，符合支護(hù)要求。

(2)為確定支護(hù)方案的有效性，模擬比較了巷道掘進(jìn)50 m時(shí)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭驮跓o支護(hù)和有支護(hù)條件下的垂直和水平方向的位移，進(jìn)一步驗(yàn)證了巷道支護(hù)方案的科學(xué)有效性。

[1] 黃慶顯.大埋深高應(yīng)力巷道讓壓支護(hù)技術(shù)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1):40-43.

[2] 李巖松.錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)在加固動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用[J].安全與健康,2004(21):33-34.

[3] 陳玉民，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，2008.

2015-04-16)

馬紀(jì)平(1989—)，男，助理工程師，037000 山西省大同市恒安新區(qū)B區(qū)。