火成巖侵入?yún)^(qū)煤層巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

張文浩

（同煤集團(tuán)塔山礦，山西 大同 037003）

1 概況

永定莊礦于2018年11月開拓3-5#煤層，3-5#層盤區(qū)皮帶巷設(shè)計(jì)為半圓拱形斷面，掘?qū)?.3m，凈寬4m，掘高3.45m，凈高3.3m。

在盤區(qū)皮帶巷掘進(jìn)300m范圍內(nèi)遇多處火成巖侵入，頂煤最大冒落高度為1.8m，隨掘隨冒，支護(hù)時錨索因鉆孔成形不好無法正常安設(shè)，給工作面安全生產(chǎn)造成威脅，無法保證3-5#煤層正常的生產(chǎn)接替，急需對火成巖侵入?yún)^(qū)巷道的變形破壞特征進(jìn)行研究，最終形成火成巖侵入?yún)^(qū)巷道圍巖控制技術(shù)[1-3]。

2 采區(qū)巷道基本支護(hù)參數(shù)

根據(jù)巷道破碎深度的探測結(jié)果，盤區(qū)巷道圍巖松動圈平均為2.75m。根據(jù)松動圈支護(hù)理論及錨噴支護(hù)建議，如表1所示，應(yīng)采用錨桿、噴層及局部掛金屬網(wǎng)的支護(hù)方式，錨桿設(shè)計(jì)依據(jù)組合梁理論[4]。

表1 巷道圍巖松動圈分類及錨噴支護(hù)建議

（1）永久支護(hù)。采用錨網(wǎng)噴加錨索聯(lián)合支護(hù)形式。頂錨桿按9排齊排布置，排距0.7m，間距0.8m，錨索按兩排齊排布置，排距1.4m，間距為1.6m。錨索長度均為8m。如施工巷道頂板破碎、有壓力或遇特殊地質(zhì)構(gòu)造時應(yīng)縮小錨桿及錨索的排、間距，并制定專項(xiàng)措施。

（2）幫部支護(hù)。護(hù)幫錨桿采用Ф22mm×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，護(hù)幫錨桿按左右各兩排齊排布置，排距0.7m，間距0.8m，網(wǎng)采用長邊順巷方向布置，網(wǎng)與網(wǎng)短邊對接用網(wǎng)本身鉛絲重新穿綴，并將網(wǎng)片與煤幫貼緊，每根錨桿上一卷樹脂藥（K2360），護(hù)幫要求滯后工作面不大于5m。

3 支護(hù)方案數(shù)值模擬優(yōu)化

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

按照實(shí)際地質(zhì)條件，模型尺寸300m×300m×90m，單元總數(shù)為46680。數(shù)值模型如圖1所示。模型上邊界施加邊界載荷p=11MPa以模擬上覆巖層自重，模型其他三個邊界均為位移約束。

圖1 數(shù)值模型示意圖

3.2 模型巖層參數(shù)的選擇

巷道圍巖及煤體參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、剪脹角以及抗拉強(qiáng)度，如表2所示。

表2 計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值計(jì)算方案

對3-5#層盤區(qū)皮帶巷基本支護(hù)形式進(jìn)行FLAC3D有限差分模擬。模擬以下兩種支護(hù)方案：

方案一：錨桿間距0.8m，排距0.7m，長度2.2m；錨索長度8m，間排距為1.6m×1.4m。幫錨桿長度2.0m，間排距0.8m×0.7m。

方案二：錨桿間距0.8m，排距0.85m，長度2.4m；錨索長度6m，間排距為1.6m×1.7m。幫錨桿長度2.0m，間排距0.8m×0.85m。

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

（1）巷道頂?shù)装逡平康哪M。在巷道施工過程中，巷道頂?shù)装逦灰屏繉ο锏腊踩┕し浅ｊP(guān)鍵，同時也是對支護(hù)設(shè)計(jì)的最直接檢驗(yàn)。因此，對頂?shù)装遑Q直方向的位移模擬是本次數(shù)值模擬分析的一個重點(diǎn)?？紤]到實(shí)際工程進(jìn)展和施工工藝，結(jié)合數(shù)值模型的邊界條件與現(xiàn)實(shí)情況的差別，選擇模型中巷道中段y=50m處圍巖為研究對象，記錄該段每天的頂?shù)装逡平俊?/p>

圖2 方案一垂直位移云圖

開始時，掘進(jìn)施工對巷道的頂?shù)装逦灰朴休^大影響，隨著掘進(jìn)面往遠(yuǎn)處推進(jìn)這種影響也越來越弱，然后逐漸趨于穩(wěn)定。從模型的垂直位移云圖2上看，隨著計(jì)算時間的推移，尤其在計(jì)算末期，方案一的垂直位移變形量要小于方案二。

（2）巷道兩幫收斂量的模擬分析。選擇模型中巷道中段y=50m處圍巖為研究對象，記錄該段每天的兩幫收斂量。

圖3 方案二水平位移云圖

實(shí)際開挖過程中，掘進(jìn)面距離監(jiān)測斷面比較近時，對其巷道兩幫收斂的影響較大，隨著開挖的進(jìn)行，掘進(jìn)面距離監(jiān)測斷面越來越遠(yuǎn)，對監(jiān)測面巷道兩幫位移的影響會減小。從巷道圍巖的水平位移云圖3中可以發(fā)現(xiàn)，短時間看兩方案水平位移的最大變化量接近一致，但方案二的水平變形影響范圍更大，隨著時間的推移，可能出現(xiàn)由影響范圍向影響程度的轉(zhuǎn)化，這種影響趨勢不利于巷道的長久穩(wěn)定。

（3）巷道圍巖塑性區(qū)的模擬分析。選擇模型中巷道中段y=50m處圍巖為研究對象，記錄該段每天的塑性區(qū)的變化。

圖4 方案一圍巖塑性區(qū)云圖

由圖4可以看出，巷道開挖支護(hù)完成之后，第1天的塑性區(qū)頂部和底部較大，頂部最大值約1m，底部最大值約2m，兩幫較小約0.6m。第1天產(chǎn)生的塑性區(qū)占后來穩(wěn)定后的塑性區(qū)的60%以上。因?yàn)橄锏老蚯熬蜻M(jìn)并不會等到該塑性區(qū)達(dá)到穩(wěn)定以后再進(jìn)行，所以該斷面的塑性區(qū)域還會隨著時間的延續(xù)而自發(fā)地持續(xù)增加；再加上隨后離其較近處巷道開挖的影響，該斷面的塑性區(qū)會增大的更快，由上圖可以明顯地看出隨后緊接著開挖對塑性區(qū)的發(fā)展影響最大。5天以后的塑性區(qū)變化不太明顯，頂部最大值1.5m，底部塑性區(qū)最大值2.5m，兩幫的塑性區(qū)最大值1m。表明該斷面的塑性區(qū)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，所以巷道開挖后，應(yīng)迅速及時地對巷道進(jìn)行支護(hù)，這對控制巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展非常有利。

兩方案相比，在巷道圍巖塑性區(qū)的控制上方案一優(yōu)于方案二；從第10天巷道塑性區(qū)云圖上看，方案二巷道右?guī)偷乃苄詤^(qū)范圍明顯大于方案一，說明方案一對于圍巖的控制更加有效。

4 結(jié)語

針對火成巖侵入?yún)^(qū)掘進(jìn)頂板易冒落、錨索錨固效果差等問題，提出有針對性的巷道支護(hù)方案。根據(jù)火成巖侵入?yún)^(qū)巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)段的實(shí)際工程情況，建立合理的數(shù)值模型，對掘進(jìn)期間巷道的支護(hù)效果進(jìn)行模擬分析，確定最優(yōu)方案為：錨桿間距0.8m，排距0.7m，長度2.2m；錨索長度8m，間排距為1.6m×1.4m。幫錨桿長度2.0m，間排距0.8m×0.7m。