紫晟煤業(yè)總回風巷斷面優(yōu)化設計研究

楊小兵

(霍州煤電集團有限責任公司 豐峪煤業(yè)有限責任公司,山西 霍州 031400)

煤礦開采過程中,各類巷道的穩(wěn)定性及其安全控制問題一直都是礦井安全生產(chǎn)的薄弱之處[1-3],尤其對于開拓類巷道,巷道斷面大、長度長、服務年限長,受地質條件多變的影響而支護方式復雜,各種問題層出不窮,尤其是巷道斷面形狀的選擇,不僅對巷道整體穩(wěn)定性起絕對作用,而且還將影響合理支護方式的選擇[4-8]。目前,國內學者針對深部高地應力、“三軟”煤層、沖擊地壓等諸多復雜情況下巷道斷面穩(wěn)定問題進行了卓有成效的研究,為本文的研究提供了堅實的理論基礎[9-13]。紫晟煤業(yè)總回風巷沿底掘破頂施工,煤層薄、巷道高,巷道圍巖軟硬性質差異較大,且服務年限長、通風要求高,對大斷面總回風巷穩(wěn)定性及支護控制的要求很高,因此研究其斷面布置形式及相應的支護技術,具有重要的現(xiàn)實工程應用價值。

1 工程背景

紫晟煤業(yè)隸屬于霍州煤電集團有限責任公司,地面標高600 m～556 m,礦井總回風巷標高260 m～170 m,黃土覆蓋厚度為41 m～80 m,基巖平均厚度為230 m。巷道直接頂板為泥巖,厚7.0 m～18.0 m;基本頂為細砂巖,厚2.4 m;直接底為泥巖,厚6.0 m～8.8 m;基本底為中粒砂巖,厚3.5 m～4.0 m?？偦仫L巷道所處位置煤巖層綜合柱狀圖見圖1。

圖1 巷道綜合柱狀Fig.1 Stratum histogram of roadway

總回風巷西部為1999年采空區(qū),距離采空區(qū)45 m～75 m,涌水量15 m3/h,東部為落差30 m斷層及2000年、2005年采空區(qū),距采空區(qū)40 m～45 m,涌水量較小;上覆各砂巖層含水層賦存有裂隙水,但含水性微弱;下覆奧灰?guī)r溶水富水性強,屬于帶壓開采區(qū)域。紫晟煤業(yè)2#煤層為瓦斯煤層,具有煤塵爆炸性。

2 總回風巷道的斷面優(yōu)化設計選擇

2.1 斷面優(yōu)化設計

為探究紫晟煤業(yè)總回風巷道的最優(yōu)斷面形式,采用FLAC3D軟件進行不同斷面形狀的數(shù)值仿真模擬,進而分析掘進與回采影響時總回風巷的變形和塑性區(qū)的分布狀況,以此確定巷道的最優(yōu)斷面形式。設計巷道斷面有斜梯形巷道、半圓拱形巷道和圓形巷道三種形式,巷道布置在煤層中,破頂掘進,其橫向尺寸為5.1 m,縱向尺寸為5.0 m。數(shù)值模型如圖2所示,煤巖物理力學參數(shù)如表1所示。

圖2 FLAC3D三維數(shù)值模擬模型Fig.2 FLAC3Dnumerical simulation model

表1 巷道煤巖物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock in roadway

本模型左右及下邊界固定,在模型上表面施加7.5 MPa的荷載,模擬紫晟煤業(yè)總回風巷上方300 m的巖體自重的作用。工程巖體的物理力學計算參數(shù)按照相鄰礦井參數(shù)進行賦值。模擬過程中巖石采用Mohr-Coulomb破壞準則,深入揭示不同斷面巷道在掘進條件下圍巖變形特征及圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律。

2.2 數(shù)值模擬結果及分析

2.2.1巷道圍巖變形特征

在巷道模型中沿著巷道頂板、底板與幫部方向分布設置了長度100 m的4條監(jiān)測線(兩幫各一條),在頂、底板監(jiān)測線上均勻布置了20個監(jiān)測點,在幫部監(jiān)測上均勻布置了40個監(jiān)測點,不同斷面形狀巷道圍巖變形監(jiān)測線上的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同斷面形狀巷道圍巖位移變化曲線Fig.3 Displacement curve of surrounding rock under different sections

根據(jù)圖3可知,斜梯形巷道兩幫位移均高于圓形巷道及半圓拱形巷道兩幫位移,這主要由于隨著掘進面的推進,巷道及圍巖受偏心壓力作用,而斜梯形巷道受偏心壓力影響較大,主要由兩幫承壓,兩幫和底角容易剪切破壞,導致位移較大?？傮w來看,圓形巷道、斜梯形巷道、半圓拱形巷道3種巷道圍巖表面位移的分布規(guī)律基本一致。斜梯形斷面頂、底板及兩幫變形量均大于圓形巷道及半圓拱形巷道,其中以巷道底鼓量與兩幫變形量較為明顯。

2.2.2巷道圍巖塑性區(qū)分布

巷道開挖后引起巷道圍巖應力重新分布,并且巷道圍巖應力分布不均勻,應力不斷從巷道周邊向圍巖深部轉移,不同斷面形狀巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示。

圖4 不同斷面形狀巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.4 Plastic zone distribution of surrounding rocks with different sections

由圖4可知,圓形巷道、半圓拱形巷道、斜梯形巷道3種巷道左右兩幫塑性區(qū)發(fā)育均為4 m ～5 m,底部塑性區(qū)發(fā)育分別為3.5 m、4.0 m和5.0 m,頂部塑性區(qū)的分布基本一致。在自重應力的作用下,巷道圍巖的破壞首先從巷道的幫角、底角等關鍵部位開始,先在巷道頂、底板及兩幫中先產(chǎn)生局部的剪切破壞帶,然后局部剪切破壞帶相互連接、貫通,逐漸形成區(qū)域范圍較大的塑性破壞損傷區(qū)。巷道圍巖的破壞以剪切破壞為主,隨著巷道斷面形狀越光滑,巷道圍巖的拉伸屈服區(qū)域逐漸減少,直至消失。此外,在自重應力的作用下,巷道圍巖底板的塑性破壞區(qū)范圍略大于巷道圍巖兩幫的塑性破壞區(qū)范圍,而三種斷面巷道的頂板塑性區(qū)均較小。梯形巷道塑性區(qū)范圍較大,半圓拱形巷道、圓形巷道塑性區(qū)范圍相對較小,并且分布較為均勻。由“等效開挖”理論[14-15]知,可將3種巷道圍巖塑性區(qū)劃分成“無效加固區(qū)”,這部分不具備承載能力但必須支護,如圖5所示。

圖5 不同斷面巷道“無效加固區(qū)”大小Fig.5 Invalid reinforcement area size in different section roadways

整體來看,在同種地質條件下,不同斷面形狀巷道圍巖位移及塑性區(qū)的分布規(guī)律基本一致,但是也有一定的區(qū)別。圓形巷道和半圓拱形巷道變形特征、塑性區(qū)大小基本趨于一致,且優(yōu)于斜梯形巷道。此外,由“等效開挖”理論知,巷道斷面開挖后,斜梯形巷道其無效加固區(qū)范圍較大,容易受壓破壞。

2.2.3不同支護方案數(shù)值比較分析

為驗證不同支護方案對總回風巷支護效果的差異性,以半圓拱巷道為基礎,設計五種不同巷道支護方案,具體參數(shù)如表2所示。

表2 不同支護方案設計Table 2 Supporting designs

其中幫錨桿參數(shù)保持不變,頂錨桿與錨索分別在錨桿型號、間排距、錨固深度方面進行區(qū)別。計算結束后,巷道圍巖變形量分別監(jiān)測頂板向上4 m內的頂板下沉量和巷道幫部向煤體深部4 m內的水平變形量,如圖6所示。

6-a 頂板下沉量

6-b 巷道變形量圖6 不同支護方案巷道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Deformation monitoring data with different supporting plans

根據(jù)不同方案的模型巷道圍巖變形監(jiān)測值可知,巷道頂板位置處的頂板下沉量最大值為方案五時的197 mm,其次是方案三的185 mm、方案二的169 mm、方案四的156 mm和方案一的148 mm,隨著頂板監(jiān)測位置的升高,不同方案下的頂板下沉量呈現(xiàn)大致相同規(guī)律的較小,在巷道頂板4 m位置處,頂板下沉量最小值為方案一的38 mm;巷道幫部的水平變形量反映了幫部煤體向內擠壓變形的嚴重程度,巷幫位置處的水平位移最大值為方案二的145 mm,其次為方案五的140 mm、方案四的136 mm、方案三的132 mm和方案一的121 mm,隨著監(jiān)測位置向煤體深部的延伸,水平位移變化量整體呈現(xiàn)減小趨勢,整體來看,方案一的變化最為穩(wěn)定。

3 總回風巷支護及變形監(jiān)測

按照數(shù)值模擬研究可知,總回風巷的斷面選擇為半圓拱形斷面,紫晟煤業(yè)采用該斷面掘進,毛寬5.3 m、凈寬5.1 m,毛高5.05 m、凈高4.95 m,設計支護斷面如圖7所示。

圖7 巷道斷面支護布置及參數(shù)Fig.7 Supporting layout and parameters for roadway sections

支護采用錨噴支護,拱部錨桿全采用Φ22 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿,每排11根,排間距為700 mm×700 mm,每孔Z2388和CK2360樹脂錨固劑各1卷,選用2根3.5 m的桁架搭接施工;墻部錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼高強錨桿,每排每幫4根,排間距為700 mm×700 mm,每孔Z2388樹脂錨固劑1卷,選用2.8 m的桁架,墻部最下一根錨桿角度與巷幫為74°;錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8 500 mm鋼絞線,每孔Z2388樹脂錨固劑3卷;錨索每排3根,排間距為2.1 m×1.6 m；全斷面鋪設長×寬=2 m×0.9 m的鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)孔規(guī)格為長×寬=70 mm×70 mm,聯(lián)網(wǎng)絲采用16#鍍鋅鐵絲,噴漿厚度為100 mm。

為探究巷道斷面及支護形式的有效性,在巷道圍巖內布置測站監(jiān)測變形情況。巷道表面位移監(jiān)測采用“十字布點法”,利用鋼卷尺或測槍進行監(jiān)測。測站的監(jiān)測周期為3周,在斷面支護完成后進行,其頂板下沉量與兩幫收斂量如圖8所示。

從圖8可知,總回風巷完成支護后,在3周內,頂板下沉速率逐漸降低,下沉量基本維持在200 mm,兩幫收斂量基本維持在150 mm,整體而言,巷道圍巖變形速率呈收斂狀態(tài),說明總回風巷道斷面選擇和支護設計是合理的。

8-a 頂板下沉量

8-b 兩幫收斂量圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)圖Fig.8 Monitoring data

4 結論

1)根據(jù)數(shù)值模擬結果,圓形巷道最為穩(wěn)定、無效加固區(qū)最小,斜梯形巷道圍巖效果最差,但圓形巷道施工較復雜,實際施工中應兼顧經(jīng)濟性和安全性選擇半圓拱形斷面。

2)紫晟煤業(yè)總回風巷施工選擇半圓拱形巷道加錨噴支護方式,圍巖變形監(jiān)測顯示圍巖變形速率逐漸減小,巷道穩(wěn)定性得到了有效控制。