“三軟”煤層巷道不同支護(hù)方式數(shù)值模擬研究

張連東

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)翼城東溝煤業(yè)有限公司)

近年來，隨著礦井開采深度的增加，巷道中的各種非線性力學(xué)現(xiàn)象越來越多，支護(hù)越來越困難[1-2]?！叭洝泵簩釉诓删蜻^程中煤巷維護(hù)困難，需反復(fù)維修，嚴(yán)重制約礦井的安全高效生產(chǎn)。近些年，學(xué)者們對(duì)“三軟”煤層巷道圍巖自穩(wěn)平衡圈理論[3]和“三軟”煤巷棚-索強(qiáng)化控制理論[4]進(jìn)行了探討。在對(duì)巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)合理性以及優(yōu)化方案研究的過程中，數(shù)值模擬技術(shù)[5-7]得到了廣泛的應(yīng)用。為了解決“三軟”煤層支護(hù)難的問題，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合常村煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件及其巷道破壞特征，對(duì)“三軟”煤層巷道圍巖破壞原因進(jìn)行了分析，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同的巷道支護(hù)方案進(jìn)行模擬，分析不同支護(hù)方案的可靠性和支護(hù)效果，為“三軟”煤層沿底快速掘進(jìn)提供一定的依據(jù)。

1 工程概況

常村煤礦主采煤層為二疊系山西組二1煤和二3煤，其中二1煤層結(jié)構(gòu)疏松破碎，煤體黏聚力低，煤層易風(fēng)化、崩解，呈散體狀，承載能力極低。其基本頂為泥巖與細(xì)粒砂巖的互層，為典型的復(fù)合頂板，底板為砂質(zhì)泥巖，遇水膨脹，屬于典型的“三軟”煤層。常村煤礦采用U型鋼棚支護(hù)時(shí)，由于被動(dòng)支護(hù)形式的特點(diǎn)，難以使煤體發(fā)揮自身的承載能力，巷道支護(hù)初期難以提供有效支撐，巷道加速破壞時(shí)，松散煤體被擠壓而產(chǎn)生流變，斷面短時(shí)間內(nèi)可收縮30%～50%，U型鋼支架發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形甚至失穩(wěn)，該類巷道圍巖表現(xiàn)為整體來壓，頂板下沉明顯，兩幫強(qiáng)烈內(nèi)移，斷面收縮量大等特點(diǎn)，尤其是在掘進(jìn)期間頂板難以控制，這些問題嚴(yán)重制約著掘進(jìn)速度，同時(shí)，巷道在服務(wù)年限內(nèi)變形快，傳統(tǒng)的U型鋼支護(hù)方式很難滿足需求[8]。巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，松散的煤體易從網(wǎng)孔中流失或因錨網(wǎng)柔性低出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，造成錨桿錨空失效現(xiàn)象頻發(fā)，使巷道出現(xiàn)圍巖易強(qiáng)烈流變產(chǎn)生不均勻大變形，最終導(dǎo)致錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，急切需求一種合理有效的綜合支護(hù)措施。

2 不同支護(hù)方式的數(shù)值模擬

2.1 巷道模擬條件

以常村煤礦二1-13110工作面機(jī)巷為研究背景，巷道斷面形式為拱形斷面，凈寬4 200 mm，巷高3 500 mm。二1-13110工作面所采煤層埋深約 450 m，煤層厚度取6 m(最大厚度)，煤層底板由強(qiáng)度較低的砂質(zhì)泥巖組成，煤層頂板由強(qiáng)度較低的砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖組成，直接頂為砂質(zhì)泥巖，見圖1。

運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算，煤層傾角取0°，計(jì)算模型邊界條件上部為垂直荷載邊界外，其余各側(cè)面和底面為法向約束邊界。模型水平寬度為55 m，垂直高度為50 m，巷道軸向深度為10 m，巷道沿底掘進(jìn)，本次模擬取托頂煤厚度為2.8 m，巷道開挖斷面為直墻半圓拱形，直墻高1 m，半圓拱半徑為2.2 m。巷道圍巖視為各向同性均質(zhì)巖體，巖層材料采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，大應(yīng)變變形模式，計(jì)算模型按巖體分層建立，與巷道實(shí)際所處層位巖層柱狀圖基本一致。模型的上邊界條件施加10.75 MPa的應(yīng)力，模型的底邊界和左、右邊界采用零位移邊界條件，在左、右邊界處，模型的水平位移為零，豎直位移不為零，即單約束邊界；在下部邊界處，模型的水平位移和豎直位移都為零，即全約束邊界；上部邊界不約束，為自由邊界，見圖2。

圖1 二1-13110工作面綜合柱狀圖

圖2 數(shù)值模擬邊界條件

2.2 數(shù)值模擬方案

為了分析主動(dòng)支護(hù)、被動(dòng)支護(hù)與主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)在巷道支護(hù)中的性能差異，在選取對(duì)比方案時(shí)略去鐵絲網(wǎng)等因素的影響。運(yùn)用FLAC3D分別模擬巷道在無支護(hù)、主動(dòng)支護(hù)(預(yù)應(yīng)力錨桿+錨索支護(hù))、被動(dòng)支護(hù)(間距為0.8 mU型鋼支護(hù))和主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)(錨桿+錨索+間距為1.0 mU型鋼協(xié)同支護(hù))4種方案的支護(hù)情況，見圖3。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

巷道圍巖的變形破壞直接影響著礦井的安全生產(chǎn)，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)的目的就是為了防止圍巖變形，保持巷道圍巖的穩(wěn)定性。從不同支護(hù)形式下的巷道表面位移變化、主應(yīng)力大小和塑性區(qū)分布特征3方面來進(jìn)行分析。

圖3 不同的巷道支護(hù)方案模型

2.3.1 巷道表面位移變化情況

不同支護(hù)條件下巷道位移變化情況見圖4?？梢钥闯觯锏涝陂_挖后采取不同的支護(hù)方式，取得的支護(hù)效果也不同。巷道在采取支護(hù)的情況下，兩幫移近量和頂?shù)装逡平棵黠@降低，在采用主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)時(shí)，二者降低幅度最大，分別為80.1%和84.2%，比二者單獨(dú)采用時(shí)巷道位移量小，表明主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)體現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)，既改善了主動(dòng)支護(hù)時(shí)頂板下沉量大，下沉位置集中的缺點(diǎn)，同時(shí)減小了被動(dòng)支護(hù)時(shí)頂板及兩幫煤層的滑移，這是由于主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)既充分發(fā)揮了主動(dòng)支護(hù)快速提供支護(hù)阻力，圍巖被錨固成錨巖支護(hù)體共同承擔(dān)上部載荷的作用，又協(xié)同了被動(dòng)支護(hù)護(hù)表能力強(qiáng)，支護(hù)阻力大的優(yōu)點(diǎn)，二者協(xié)同合作，“合力”達(dá)到控制圍巖變形的目的。說明在托頂煤厚度較大“三軟”煤層條件下，采用U型鋼+錨桿+錨索主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)時(shí)，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效控制巷道圍巖的位移量。

圖4 不同支護(hù)條件下巷道位移變化情況

2.3.2 巷道圍巖主應(yīng)力變化情況

不同支護(hù)條件下巷道圍巖主應(yīng)力變化情況見圖5?？梢钥闯觯S著支護(hù)阻力和支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道煤巖體內(nèi)部的主應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力值及范圍越來越小。當(dāng)巷道無支護(hù)時(shí)，巷道四周較大范圍內(nèi)均為主應(yīng)力最小值集中區(qū)域，巷道周圍主應(yīng)力值為0.35 MPa；當(dāng)巷道采用U型鋼支護(hù)時(shí)，主應(yīng)力最小的區(qū)域主要集中在巷道肩部，而且巷道周圍主應(yīng)力值增大為0.26 MPa；當(dāng)巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)時(shí)，主應(yīng)力最小的區(qū)域主要圍繞巷道表面，巷道周圍主應(yīng)力值為0.22 MPa；當(dāng)巷道采用主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)時(shí)，主應(yīng)力集中區(qū)域范圍進(jìn)一步減小，且巷道周圍主應(yīng)力減小為0.21 MPa。說明隨著支護(hù)強(qiáng)度的不斷增加，巷道圍巖力學(xué)性能得到了改善，圍巖承載能力有效增強(qiáng)，進(jìn)而阻止了應(yīng)力集中區(qū)域向圍巖內(nèi)部移動(dòng)，在巷道周圍形成了有效的承載結(jié)構(gòu)，減少了圍巖體的變形量，使得巷道能夠處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5 不同支護(hù)條件下巷道圍巖主應(yīng)力變化情況

2.3.3 巷道塑性區(qū)分布

塑性區(qū)范圍的大小直接關(guān)系巷道圍巖受破壞范圍的大小，同時(shí)也是錨桿(索)能否有效錨固的基礎(chǔ)。

不同支護(hù)條件下巷道塑性區(qū)分布情況見圖6?？梢钥闯?，巷道在無支護(hù)狀態(tài)下，塑性區(qū)范圍較大，頂板方向塑性區(qū)邊界為7～8 m，兩幫方向塑性區(qū)邊界為5～6 m，圍巖大面積失穩(wěn)破壞，因此，巷道開挖后必須進(jìn)行相應(yīng)支護(hù)。被動(dòng)支護(hù)和主動(dòng)支護(hù)狀態(tài)下，巷道塑性區(qū)范圍較無支護(hù)時(shí)有明顯減小，頂板方向塑性區(qū)范圍為3～4 m，兩幫方向塑性區(qū)范圍為2～3 m，圍巖松動(dòng)范圍得到了明顯的控制，單一支護(hù)形式對(duì)巷道圍巖失穩(wěn)破壞有一定的作用。主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)狀態(tài)下，巷道塑性區(qū)范圍較單一支護(hù)形式時(shí)又進(jìn)一步減小，頂板方向塑性區(qū)范圍為2 m左右，兩幫方向塑性區(qū)范圍為2 m左右，表明巷道圍巖比被動(dòng)支護(hù)更加穩(wěn)定，松動(dòng)范圍進(jìn)一步減小，巷道穩(wěn)定性大大提高。

圖6 不同支護(hù)條件下巷道塑性區(qū)分布情況

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，與被動(dòng)支護(hù)、主動(dòng)支護(hù)2種單一支護(hù)形式相比，主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)改善了圍巖與支護(hù)體的相互關(guān)系，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的工作阻力得到提高。巷道圍巖達(dá)到三向受力平衡狀態(tài)，形成共同承載結(jié)構(gòu)，有效阻止圍巖塑性區(qū)向深部發(fā)展，控制巷道圍巖變形，使巷道趨于穩(wěn)定。因此，主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)塑性區(qū)范圍較小，能夠有效控制巷道圍巖位移，維持巷道穩(wěn)定，保證礦井安全生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)常村煤礦“三軟”煤層巷道破壞原因進(jìn)行了分析，由于受滑動(dòng)構(gòu)造的影響煤層遭到嚴(yán)重破壞，強(qiáng)度極低，且不合理的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)是造成該礦巷道難以支護(hù)的主要原因。

(2)基于常村煤礦二1-13110機(jī)巷的地質(zhì)條件，構(gòu)建了4種支護(hù)方式的數(shù)值模型。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)對(duì)巷道穩(wěn)定效果最好。通過對(duì)比不同支護(hù)方案的支護(hù)效果，主被動(dòng)協(xié)同支護(hù)條件下巷道表面位移、主應(yīng)力范圍和塑性區(qū)范圍最小，U型鋼和錨桿(索)充分發(fā)揮了協(xié)同作用，支護(hù)效果最好，該支護(hù)方案對(duì)“三軟”煤層巷道支護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。