煤礦巷道錨網(wǎng)支護(hù)機(jī)理及圍巖變形規(guī)律分析

高議民

(山西魯能河曲電煤開發(fā)有限公司 上榆泉煤礦，山西 忻州 034000)

隨著煤礦井下開采斷面和開采深度逐漸增加，巷道所處的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境越來越復(fù)雜，受到開采擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和深部地應(yīng)力場(chǎng)的影響，巷道開挖后處于塑性變形階段。目前常規(guī)的支護(hù)不能夠滿足巷道正常應(yīng)用需求。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中錨網(wǎng)支護(hù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是煤礦地質(zhì)條件隨著煤層、礦井、區(qū)域的不同出現(xiàn)很大不同，各個(gè)礦井的錨網(wǎng)支護(hù)機(jī)理也不盡相同。錨網(wǎng)支護(hù)作為現(xiàn)在大多數(shù)礦井使用的主要支護(hù)技術(shù)，僅依賴于錨桿的密度、剛度和強(qiáng)度，沒有充分考慮兩者的耦合關(guān)系，不能夠充分發(fā)揮錨網(wǎng)支護(hù)的潛力，錨網(wǎng)支護(hù)密度過大，造成資源的浪費(fèi)，很多情況下，錨桿的強(qiáng)度已經(jīng)過剩，但是其配合的護(hù)網(wǎng)強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，致使錨網(wǎng)耦合強(qiáng)度降低，造成巷道變形和冒頂?shù)陌l(fā)生[1-3]。鑒于此，本文研究了煤礦巷道錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)及圍巖變形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了井下快速施工，提高了煤礦的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 工程概況

研究礦井生產(chǎn)規(guī)模為90萬t/a，井田南北寬2.0 km，東西長(zhǎng)為4.7 km，井田面積為9.4 km2，井田內(nèi)含煤地層主要是山西組和太原組。山西組主要有2層煤(2號(hào)煤層和3號(hào)煤層)，2號(hào)煤層為部分可采煤層，3號(hào)煤層為穩(wěn)定可采煤層，山西組煤層平均厚度為2.0 m，含煤系數(shù)為6.0%。太原組主要有9層煤，5號(hào)和9號(hào)煤層為較穩(wěn)定部分可采煤層，其他為不可采煤層，太原組煤層平均厚度為3.2 m，含煤系數(shù)為3.0%。研究煤層為3號(hào)煤層，平均埋深為600 m，煤層厚度為1.0～3.5 m，平均厚度為2.0 m，3號(hào)煤層距離2號(hào)煤層13 m左右，3號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其頂?shù)装寰鶠樯百|(zhì)泥巖和泥巖。

2 錨網(wǎng)強(qiáng)度耦合分析

在巷道圍巖控制技術(shù)中，護(hù)網(wǎng)將受到的承載力分布到錨桿上，隨著錨桿預(yù)緊力、強(qiáng)度、直徑、長(zhǎng)度和托盤的規(guī)格的增大，錨桿的支護(hù)范圍也逐漸增大，但是仍會(huì)出現(xiàn)錨空區(qū)，此時(shí)需要護(hù)網(wǎng)對(duì)錨空區(qū)圍巖提供支持。當(dāng)錨空區(qū)圍巖出現(xiàn)破落時(shí)，破落的圍巖會(huì)對(duì)網(wǎng)片施加載荷，網(wǎng)片受到施加載荷后，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象。根據(jù)靜力平衡原理，圍巖直接接觸的兩段網(wǎng)絲和破碎圍巖向網(wǎng)片施加的載荷在豎直方向的合力相同[4-5]。計(jì)算公式：

Pr=2Tr·sinβ

(1)

(2)

式中，Pr為破碎巖石所受的重力；Tr為AB段網(wǎng)絲或CD段網(wǎng)絲所受的拉力；β為金屬網(wǎng)的下沉角；H為網(wǎng)片的下沉量；a為網(wǎng)兜前原網(wǎng)絲長(zhǎng)度的1/2。

如果網(wǎng)絲的軸向拉應(yīng)變?yōu)棣?，則：

(3)

式中，E為網(wǎng)絲材料的彈性模量；ε為網(wǎng)絲的軸向拉應(yīng)變；S為橫截面積；δ為拉應(yīng)力。

將式(2)、式(3)代入式(1)進(jìn)行推導(dǎo)，得出：

(4)

由式(4)可知，金屬網(wǎng)下沉角和破碎巖石重力、網(wǎng)絲的彈性模量及網(wǎng)絲的橫截面有密切的關(guān)系。增加網(wǎng)絲的橫截面積、直徑以及彈性模量，可以提升網(wǎng)片的護(hù)表功能，從而使網(wǎng)片的護(hù)表效果更好。

當(dāng)金屬網(wǎng)規(guī)格和錨桿間排距相同時(shí)，此時(shí)網(wǎng)片中心所受的載荷應(yīng)力為最大，則網(wǎng)片提供的承載力F為：

(5)

式中，βm為網(wǎng)絲下沉角。

3 錨網(wǎng)支護(hù)下圍巖變形規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為了研究錨網(wǎng)支護(hù)條件下圍巖變形規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件[6-10]，建立數(shù)值模型，模型尺寸為42 m×42 m×50 m。巷道圍巖參數(shù)：內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為8×105MPa，彈性模量為2.8×104MPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為2.1 MPa，抗壓強(qiáng)度為55.5 MPa。

本文分別模擬分析3種方案：①方案1，無支護(hù)；②方案2，錨桿+菱形金屬網(wǎng)支護(hù)；③方案3，錨桿+格賓金屬網(wǎng)支護(hù)。

3.2 模擬分析

3.2.1 巷道塑性區(qū)分布

不同方案條件下巷道塑性區(qū)分布如圖1所示。

圖1 不同方案條件下巷道塑性區(qū)分布Fig.1 Distribution of plastic zone in roadway under different scheme conditions

由圖1可知，方案1條件下，由于巷道無支護(hù)，巷道四角的塑性區(qū)范圍較大，巷道塑性區(qū)呈“蝴蝶型”；方案2條件下，巷道兩幫的塑性區(qū)仍很大，塑性區(qū)呈“螃蟹型”，但是比方案一塑性區(qū)范圍縮小了19%，表明錨桿+菱形支護(hù)起到了一定的支護(hù)作用，但是金屬網(wǎng)沒有起到有效的主動(dòng)支護(hù)作用；方案3條件下巷道塑性區(qū)形狀和方案2條件下巷道塑性區(qū)形狀相同，此時(shí)塑性區(qū)比方案1塑性區(qū)范圍縮小了10%，兩幫的塑性區(qū)也有明顯的改善。

綜上分析，錨網(wǎng)支護(hù)可以改善圍巖原有塑性區(qū)分布，降低巷道所受的圍巖應(yīng)力，減小圍巖的塑性區(qū)范圍，起到了有效的支護(hù)作用；錨桿+格賓金屬網(wǎng)支護(hù)比錨桿+菱形金屬網(wǎng)支護(hù)效果更佳。

3.2.2 巷道圍巖應(yīng)力分布

不同方案條件下巷道水平應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 不同方案條件下巷道水平應(yīng)力分布Fig.2 Horizontal stress distribution of roadway under different scheme conditions

由圖2可知，在方案1條件下，巷道頂板出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值為5.7 MPa，巷道兩幫的最大水平主應(yīng)力為1.9 MPa，頂?shù)装遄畲笏街鲬?yīng)力為1.6 MPa；在方案2條件下施加了錨網(wǎng)支護(hù)，巷道圍巖應(yīng)力逐漸減小，在頂板的最大應(yīng)力值為4.3 MPa，巷道兩幫的最大水平主應(yīng)力為0.9 MPa，頂?shù)装遄畲笏街鲬?yīng)力為1.0 MPa；在方案3條件下，巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)一步減小，在頂板的最大應(yīng)力值為4.0 MPa，巷道兩幫的最大水平主應(yīng)力為0.5 MPa，頂?shù)装遄畲笏街鲬?yīng)力為0.8 MPa。

綜上分析，采用錨網(wǎng)支護(hù)可以有效改善巷道圍巖應(yīng)力，且采用錨桿+格賓金屬網(wǎng)支護(hù)后，巷道兩幫受到的水平應(yīng)力和頂?shù)装宕怪睉?yīng)力都有顯著改善。

3.2.3 巷道圍巖位移情況

不同方案條件下巷道水平位移分布如圖3所示。

圖3 不同方案條件下巷道水平位移分布Fig.3 Distribution of horizontal displacement of roadway under different scheme conditions

由圖3可知，在方案1條件下，巷道處于無支護(hù)狀態(tài)，巷道兩幫最大的變形量為420 mm；在方案2條件下，巷道處于錨桿+菱形金屬支護(hù)狀態(tài)，巷道兩幫最大的變形量為280 mm；在方案3條件下，巷道處于錨桿+格賓金屬網(wǎng)支護(hù)狀態(tài)，巷道兩幫最大的變形量為130 mm。

綜上分析，采用錨網(wǎng)支護(hù)可以有效改善巷道圍巖變形，采用錨桿+格賓金屬網(wǎng)支護(hù)后，巷道兩幫變形和頂?shù)装宕怪弊冃味加酗@著改善。

為了精確分析開挖后巷道水平和垂直位移量，在巷道的兩幫和頂板設(shè)置了測(cè)站，測(cè)站距離為5 m，總共有9個(gè)測(cè)試斷面，得到了3種支護(hù)條件下巷道位移曲線，如圖4所示。

圖4 3種支護(hù)條件下巷道位移曲線Fig.4 Roadway displacement curves under three supporting conditions

由圖4可知，當(dāng)進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)后，巷道圍巖位移得到有效的改善，并且采用錨桿+格賓金屬網(wǎng)支護(hù)后，巷道護(hù)表效果明顯，能夠有效抑制巷道變形。

4 結(jié)論

(1)通過理論計(jì)算可知，增加網(wǎng)絲的橫截面積、直徑以及彈性模量，可以提升網(wǎng)片的護(hù)表功能，從而使網(wǎng)片的護(hù)表效果更好；錨網(wǎng)支護(hù)的強(qiáng)度耦合標(biāo)準(zhǔn)為網(wǎng)片具有足夠的強(qiáng)度來承載錨空區(qū)的圍巖重力。

(2)通過數(shù)值模擬分析可知，錨網(wǎng)支護(hù)可以改善圍巖原有塑性區(qū)分布，減小圍巖的塑性區(qū)范圍，錨桿+格賓金屬網(wǎng)支護(hù)比錨桿+菱形金屬網(wǎng)支護(hù)效果更佳；采用錨網(wǎng)支護(hù)可以有效改善巷道圍巖應(yīng)力及圍巖變形；采用錨桿+格賓金屬網(wǎng)支護(hù)后，巷道兩幫受到的應(yīng)力和變形量都有顯著下降。