半煤巖巷道支護分析與優(yōu)化研究

郭雄強

(同煤集團四臺礦，山西 大同 037001)

引 言

近年來，隨著礦井厚煤層資源的日漸枯竭及煤炭開采技術(shù)的不斷提高，人們越來越重視薄煤層和中厚煤層的采掘，在此類煤層的采掘過程中，由于煤層厚度低于巷道高度，形成了半煤巖巷道。目前，半煤巖巷道掘進過程中主要存在巷道成型差、圍巖超欠挖嚴重、掘進速度慢及水對巖層的軟化導(dǎo)致巷道支護不穩(wěn)定等問題，為保證煤礦安全生產(chǎn)及半煤巖巷道的快速掘進，因此，半煤巖巷道的支護問題研究有重要意義[1]。目前，半煤巖巷道支護技術(shù)的關(guān)鍵在于如何運用高強錨桿、錨索支護，在實現(xiàn)巷道快速高效施工的同時，滿足礦井安全生產(chǎn)的要求。

本文對同煤某礦煤層進行研究，該煤層埋藏相對較深，平均煤層厚度1.5 m，煤層頂板為細砂巖，底板多為粉砂巖或石灰?guī)r，根據(jù)該煤層地質(zhì)實測數(shù)據(jù)及地理水文條件，對半煤巖巷道支護方案進行研究。

1 破壞規(guī)律分析

在掘進過程中，巷道圍巖由于形成環(huán)境和地質(zhì)等原因，會形成明顯的層狀特征，從而造成了煤層厚度、巖體強度有所不同。而煤層厚度的不同會形成全煤巷、半煤巖巷和全巖巷。下面針對該煤層半煤巖巷道進行力學(xué)分析。

該煤層的半煤巖巷道截面為矩形截面，高度2.5 m，寬度4.8 m，煤層厚度1.3 m，巷道沿頂掘進。由于煤層強度低，可將其結(jié)構(gòu)視為兩幫部上層弱結(jié)構(gòu)模型，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 半煤巖巷道力學(xué)模型

圖1中，hr為弱結(jié)構(gòu)煤層厚度，取值1.3 m；h為巷道高度，取值2.5 m；b為半煤巖巷道寬度，取值4.8 m；P為垂直主應(yīng)力，MPa。

其垂直主應(yīng)力及側(cè)壓系數(shù)分別通過公式(1)或公式(3)得到。

P=γH

(1)

λmax=150/H+1.4

(2)

λmin=108/H+0.5

(3)

式中，γ為上覆巖層體積力,N/m2；H為巷道埋深，m。

隨著巷道的掘進，周圍巖層及煤層的原始應(yīng)力分布被破壞，巷道截面直角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致巷道的變形甚至破壞巷道[2]。在幫弱結(jié)構(gòu)巷道模型中，由于煤層弱結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致煤層部分變形大于巖層變形，在頂板重力的作用下，煤層弱結(jié)構(gòu)變形加劇，產(chǎn)生剪力破壞，從而導(dǎo)致巷道兩側(cè)內(nèi)移，導(dǎo)致巷道失穩(wěn)，當(dāng)剪力破壞大于頂板抗剪強度時，頂板巖層斷裂。

Mohr-Coulomb 準則能較準確表達巖體抗剪力學(xué)特性，因此采用Mohr-Coulomb 準則和拉伸破壞準則對巷道破壞進行分析[3]，

Mohr-Coulomb 準則，見式(4)。

τ=σntanφ+C≥Rs

(4)

式中，τ為圍巖剪應(yīng)力，MPa；σn為圍巖正應(yīng)力，MPa；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，()；Rs為圍巖抗剪強度，MPa。

為方便計算，令σs=(Rs-C)cotφ，則式(4)可表示為：σn≥σs。

拉伸破壞準則：-σn≥Rt(σn<0)，Rt為圍巖抗拉強度，MPa。

由某礦7#煤層7302工作面半煤巖巷道地質(zhì)條件參數(shù)及巷道截面參數(shù)計算可知，巷道兩幫煤層弱結(jié)構(gòu)處σs遠小于下部巖層的σs。因此，巷道形變將從煤層弱結(jié)構(gòu)處開始，隨著煤層弱結(jié)構(gòu)對頂板的支撐力下降，將導(dǎo)致巷道整體變形。

2 支護方案設(shè)計及優(yōu)化

由上述分析得到的半煤巖巷道變形規(guī)律可知，巷道形變隨埋深增加而增大，同時，由于煤層弱結(jié)構(gòu)的存在，巷道形變從弱結(jié)構(gòu)開始，向頂部延伸，導(dǎo)致整個巷道的變形[4]。因此在半煤巖巷道支護設(shè)計時，應(yīng)考慮埋深、煤層弱結(jié)構(gòu)不對稱及煤巖比例等因素的影響，對巷道采用錨桿加錨索的方式進行支護，初步方案設(shè)計如下：

半煤巖巷道以錨網(wǎng)索支護為主，在頂板及煤柱采用高強度螺紋鋼錨桿，回采幫采用玻璃鋼錨桿，選用12#鐵絲編制網(wǎng)護頂護幫。

將上述支護方案及巷道模型在FLAC3D軟件中進行參數(shù)化建模。對錨桿間距進行變量設(shè)置，兩幫錨桿間距及排距固定，錨索垂直于頂板并對稱分布，建立如下兩種方案：

方案1：頂板錨桿排距80 cm×80 cm，錨索排距 150 cm×350 cm；

方案 2：頂板錨桿排距 110 cm×110 cm，錨索排距 230 cm×350 cm。

方案布置圖如圖2所示。

將上述方案進行數(shù)值建模，模型為80 m×80 m×80 m，半煤巖巷道截面為矩形，尺寸為4.8 m×2.5 m，模型左右邊界水平約束，底部為水平及垂直約束，頂板為應(yīng)力界面，錨桿間距為變量，將工作面煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)輸入模型，側(cè)壓系數(shù)取平均值[5]，得到模型圖如圖3所示。

圖2 支護方案布置圖(mm)

圖3 數(shù)值仿真模型圖

對兩種支護方案下半煤巖巷道圍巖應(yīng)力進行仿真分析，得到仿真云圖如圖4所示。

圖4 兩種支護方案圍巖垂直應(yīng)力分布圖

由圖4可以看出，不同排距支護條件下，圍巖垂直應(yīng)力分布相似，均在兩幫與底板處形成應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力值分別為9.14 MPa和9.43 MPa。兩種支護方案均使巖體得到加強，提高了半煤巖巷的圍巖承載能力。

參照該工作面巖體力學(xué)參數(shù)可知，方案2所得應(yīng)力值可滿足Mohr-Coulomb 準則要求，同時增大錨桿間排距可有效減少錨桿數(shù)量，節(jié)約成本。

根據(jù)上述分析可以得到錨桿間排距變化對圍巖應(yīng)力的影響，同時可增加間排距變量參數(shù)，進行支護方案的優(yōu)化分析。

3 結(jié)論

本文通過對半煤巖巷道的破壞規(guī)律及其數(shù)值模型分析可以得到如下結(jié)論:

1) 采用半煤巖巷道矩形截面的力學(xué)模型，對巷道力學(xué)參數(shù)進行分析，得到半煤巖巷道主要破壞形式為剪切破壞；

2) 通過對破壞準則及力學(xué)模型進行分析，得到巷道埋深、煤層弱結(jié)構(gòu)比例對半煤巖巷道結(jié)構(gòu)強度均有重要影響；

3) 運用數(shù)值模型仿真方法，建立兩種支護方案，通過對兩種方案仿真及結(jié)果分析得到錨桿間排距為110 cm×110 cm支護為較優(yōu)方案；

4) 根據(jù)數(shù)值分析方法可進一步增加錨桿間排距變量，分別得到各工況下圍巖應(yīng)力及其形變規(guī)律，從而得到最優(yōu)支護方案。