軟巖巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬分析

石建軍，郭均中，郭志飚，劉宏偉

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601; 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083; 3. 威信云投粵電煤炭有限公司，云南 昭通 657900)

軟巖巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與模擬分析

石建軍1，郭均中1，郭志飚2，劉宏偉3

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601; 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083; 3. 威信云投粵電煤炭有限公司，云南 昭通 657900)

基于云南觀音山煤礦已有的煤層地質(zhì)條件，針對(duì)位于泥質(zhì)松軟巖層中的二井+1100m水平運(yùn)輸大巷破壞嚴(yán)重，原軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)不能滿足使用要求，重新優(yōu)化了支護(hù)參數(shù)，并進(jìn)行模擬分析。采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，建立了原支護(hù)巷道工程地質(zhì)力學(xué)模型，分析巷道變形破壞過(guò)程中的應(yīng)力分布情況，巷道周?chē)纬伞皟蓚?cè)”應(yīng)力集中，常常造成巷道兩邊剪壞，無(wú)錨索支護(hù)時(shí)，巷道拱頂應(yīng)力集中程度較高。根據(jù)結(jié)果重新進(jìn)行了錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：增加了錨網(wǎng)索支護(hù)后，剪應(yīng)力分布較為均勻，使巷道深部巖體也承擔(dān)了淺部圍巖的支護(hù)荷載，從而減小了巷道的變形量，通過(guò)錨索的作用，調(diào)動(dòng)了巷道深部圍巖的強(qiáng)度，從到了對(duì)巷道淺部圍巖的支護(hù)效果。

軟巖巷道；支護(hù)；錨網(wǎng)索；數(shù)值模擬；優(yōu)化

0 引言

隨著我國(guó)大多數(shù)煤礦相繼進(jìn)入深部開(kāi)采狀態(tài)，巷道支護(hù)困難，且常出現(xiàn)重復(fù)翻修現(xiàn)象，維護(hù)費(fèi)用高。深部軟巖巷道控制成為這些企業(yè)亟待解決的關(guān)鍵難題之一[1-3]。觀音山煤礦巷道工程多位于龍?zhí)督M煤系地層內(nèi)，部分位于龍?zhí)督M煤系地層底板玄武巖內(nèi)。自井巷工程進(jìn)入龍?zhí)督M煤系地層后，巷道發(fā)生不同程度的破壞，尤其是位于泥質(zhì)松軟巖層中的二井+1100 m水平運(yùn)輸大巷破壞嚴(yán)重。

由于觀音山煤礦多條開(kāi)拓和準(zhǔn)備巷道置在泥質(zhì)巖層中，圍巖強(qiáng)度較低，層理、節(jié)理發(fā)育，造成巷道施工后出現(xiàn)了一些非線性大變形力學(xué)現(xiàn)象，如巷道片幫、兩幫大變形、噴體開(kāi)裂、底臌等現(xiàn)象，造成巷道圍巖變形嚴(yán)重等。上述問(wèn)題給支護(hù)與開(kāi)采帶來(lái)了很大的難度，嚴(yán)重影響礦井接續(xù)，造成安全生產(chǎn)隱患，制約了觀音山煤礦的發(fā)展。以+1100 m水平運(yùn)輸大巷和回風(fēng)上山支護(hù)工程作為對(duì)象，進(jìn)行巷道支護(hù)優(yōu)化研究，為煤礦深部資源高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障[4-6]。

1 地質(zhì)條件

威信云投粵電扎西能源有限公司觀音山井田可采煤層為C1、C5兩層，礦井投產(chǎn)時(shí)移交西一一、西一二采區(qū)，兩采區(qū)開(kāi)采范圍內(nèi)C5煤層全區(qū)可采，其中西一一采區(qū)和西一二采區(qū)東翼C5煤層存在增厚現(xiàn)象，煤厚最厚11.51 m，平均在4.37～6.59 m之間，煤層傾角32°～39°，西一二采區(qū)西翼C5煤層厚在2.52～2.61 m之間，煤層傾角40°；總體上煤層有由淺至深厚度變薄、傾角逐漸變緩的趨勢(shì)。

煤層直接頂板一般為深灰色泥巖，局部為泥質(zhì)灰?guī)r，厚度0.09～4.6 m，一般0.5～1.5 m；直接底板為淺灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚0.5～2.87 m，一般1～2 m?？刹擅簩犹卣饕?jiàn)表1。

表1 可采煤層特征表

2 原支護(hù)設(shè)計(jì)

二井+1100 m水平運(yùn)輸大巷，原支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示，巷道破壞如圖2所示。

圖1 原巷道支護(hù)圖

圖2 巷道破壞圖

3 原支護(hù)模擬分析

建立原巷道的工程地質(zhì)力學(xué)模型，通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析巷道變形破壞過(guò)程中的應(yīng)力分布情況，從而為進(jìn)一步分析支護(hù)對(duì)策和優(yōu)化支護(hù)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 計(jì)算模型的建立

計(jì)算范圍長(zhǎng)×寬×高=20 m×30 m×30 m，共劃分15270個(gè)單元，16832個(gè)節(jié)點(diǎn)。該模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部固定，模型上表面為應(yīng)力邊界，施加的荷載為27 MPa，模擬上覆巖體的自重邊界。

材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。X方向荷載大小為39.2 MPa，Y方向的荷載大小為23.1 MPa。[7-10]工程巖體的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2，模型見(jiàn)圖3。

表2 巖體物理力學(xué)性質(zhì)

圖3 模型圖

3.2 圍巖應(yīng)力和位移模擬

圍巖應(yīng)力和位移模擬如圖4～6所示。

圖4 σx和σy應(yīng)力圖

圖5 τxy應(yīng)力圖

圖6 巷道變形圖

由圖4～6可以看出，巷道周?chē)纬伞皟蓚?cè)”應(yīng)力集中關(guān)鍵部位，常造成巷道兩邊剪壞，無(wú)錨索支護(hù)時(shí)，巷道拱頂應(yīng)力集中程度較高。

4 新支護(hù)設(shè)計(jì)與模擬

4.1 新支護(hù)設(shè)計(jì)

修改支護(hù)設(shè)計(jì)，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上頂板施加兩根8 m長(zhǎng)錨索調(diào)動(dòng)深部圍巖自承能力。底角施加4根45°錨桿。增加了網(wǎng)和錨桿耦合。

圖7 新巷道支護(hù)圖

4.2 圍巖應(yīng)力和位移的變化

增加了錨網(wǎng)支護(hù)后，水平方向應(yīng)力僅在支護(hù)體范圍附近比較明顯。應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在巷道的兩角部。如圖8所示。剪應(yīng)力主要出現(xiàn)在支護(hù)體內(nèi)，分布較為均勻。如圖9所示。

圖10中巖體變形明顯變小，同時(shí)，巷道整體變形也更均勻。

4.3 錨索作用分析

圖8 σx和σy應(yīng)力圖

圖9 τxy應(yīng)力圖

圖10 巷道變形圖

圖11～12是在均質(zhì)圍巖條件下錨索加固模擬計(jì)算結(jié)果。由圖11可以看出，沒(méi)有錨索支護(hù)時(shí)，巷道周?chē)纬伞皟蓚?cè)”應(yīng)力集中關(guān)鍵部位，常常造成巷道兩邊剪壞；在應(yīng)力集中關(guān)鍵點(diǎn)上施工錨索后，淺部圍巖剪應(yīng)力集中程度明顯減小，深部巖體的剪應(yīng)力水平顯著增加，表明調(diào)動(dòng)了深部巖體強(qiáng)度，控制了淺部巖體的穩(wěn)定性。

圖11 施加錨索前后xy應(yīng)力圖

圖12 施加錨索前后y應(yīng)力圖

由圖12可以看出，無(wú)錨索支護(hù)時(shí)，巷道拱頂應(yīng)力集中程度較高，施加錨索后，使應(yīng)力集中程度大幅度降低，同時(shí)使深部圍巖巖體σy發(fā)生集中。

通過(guò)比較可以看出，施加錨索支護(hù)后巷道圍巖應(yīng)力分布具有明顯不同，主要表現(xiàn)在施加錨索支護(hù)后，剪應(yīng)力明顯向巷道深部圍巖延伸、擴(kuò)張，應(yīng)力集中程度相對(duì)減小，在巷道圍巖深部錨索頂端出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)。這說(shuō)明由于錨索的作用，使巷道深部巖體也承擔(dān)了淺部圍巖的支護(hù)荷載，從而減小了巷道的變形量。同時(shí)，巷道開(kāi)挖后，圍巖的強(qiáng)度由空區(qū)向深部逐漸增大到原巖強(qiáng)度，通過(guò)錨索的作用，調(diào)動(dòng)了巷道深部圍巖的強(qiáng)度，從而達(dá)到了對(duì)巷道淺部圍巖的支護(hù)效果。

5 支護(hù)效果

原巷道由于支護(hù)方式及參數(shù)不完善，變形嚴(yán)重，如出現(xiàn)了，巷道底鼓，頂板下沉嚴(yán)重，幫鼓出現(xiàn)象。為了滿足運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大行的使用繼續(xù)要求，在不影響生產(chǎn)的情況下逐段翻修，由于翻修工程量大，調(diào)用專(zhuān)門(mén)隊(duì)伍進(jìn)行翻修。圖13為翻修巷道經(jīng)過(guò)修改支護(hù)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況圖。滿足了現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖13 支護(hù)巷道效果圖

圖14為翻修巷道實(shí)測(cè)U～t曲線，由于巷道斷面增加了兩根8000 mm的錨索和四根底角45°錨索，現(xiàn)場(chǎng)使用效果較好。新參數(shù)使用后巷道頂板下沉、兩幫鼓出、底板鼓起變形明顯好轉(zhuǎn)。無(wú)論是頂板、底板、兩幫的變形大約在55天后穩(wěn)定，其中頂板最終下沉量達(dá)到28 mm；兩幫鼓出量達(dá)到23 mm；底鼓量36 mm。實(shí)現(xiàn)了巷道的穩(wěn)定。

圖14 巷道實(shí)測(cè)U～t曲線圖

6 結(jié)論

根據(jù)觀音山煤礦+1100 m水平運(yùn)輸大巷原支護(hù)巷道破壞嚴(yán)重，重新設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，滿足了使用要求可以得出以下結(jié)論：

(1) 在原來(lái)支護(hù)基礎(chǔ)上使用錨網(wǎng)索支護(hù)，實(shí)測(cè)巷道支護(hù)滿足使用要求。

(2) 增加了錨網(wǎng)支護(hù)后，水平方向應(yīng)力僅在支護(hù)體范圍附近比較明顯。應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在巷道的兩角部。剪應(yīng)力主要出現(xiàn)在支護(hù)體內(nèi)，分布較為均勻。效果得到改善

(3) 施加錨索支護(hù)后，使巷道深部巖體也承擔(dān)了淺部圍巖的支護(hù)荷載，從而減小了巷道的變形量，通過(guò)錨索的作用，調(diào)動(dòng)了巷道深部圍巖的強(qiáng)度，從而達(dá)到了對(duì)巷道淺部圍巖的支護(hù)效果。

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Numerical Simulation and optimization of the supporting in soft rock

SHI Jian-jun1，GUO Jun-zhong1，GUO Zhi-biao2，LIU Hong-wei3

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China; 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing,100083,China; 3.WeixinYunnanElectricCapitalLtd.,Zhaotong, 657900,China)

Based on the geological conditions of coal seam in Guanyinshan coal mine, for the severe damaged transport roadway at the level of 1100m in No.2 well located in argillaceous soft rock, and the original soft rock roadway support design cannot meet the use requirements, the support parameters are optimized and analyzed simulatively. Using the numerical simulation software FLAC3D, the engineering geological mechanical model of original support roadway is established, and the stress distribution in the process of roadway deformation and failure is analyzed. The stress concentration forms on both sides around the roadway, which often results in shear failure on both sides of roadway. The stress concentration of roadway vault is high without anchor supporting. Based on the results, the parameters of bolt mesh cable support are designed, and the comparative analysis is carried out. The results show that after increasing the bolt mesh anchor support, shear stress distribution is more uniform, the deep rock mass of roadway also bears the support load of shallow rock, so as to reduce the amount of rock deformation. With the anchor, the strength of the deep roadway surrounding rock is mobilized, so as to achieve the support effect of roadway shallow rock.

soft rock roadway supporting, cable anchor; numerical simulation; optimization

2017-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(51674119)，河北省自然科學(xué)基金資助(E2016508003)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142015084)

石建軍(1975-)，男，黑龍江人，博士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副教授，研究方向：礦山壓力及其控制。E-mail: shjjwrh@126.com

TD353

A

1672-7169(2017)02-0015-04