全煤巷道圍巖破壞規(guī)律數(shù)值模擬與工程應(yīng)用

吳玉意，黃劍斌

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710054)

厚煤層開采中，全煤巷道的支護問題一直備受關(guān)注。近年來國內(nèi)外許多學(xué)者對深埋全煤巷道錨桿與圍巖的支護機理進行了深入的研究，取得了良好的效果[1-6]. 全煤巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布形成彈性區(qū)、塑性區(qū)、硬化區(qū)、塑性軟化區(qū)和塑性流動區(qū)。由于煤層具有軟弱、抗壓強度低的特性，圍巖在高圍壓下易出現(xiàn)峰后軟化現(xiàn)象。塑性軟化區(qū)的巖體強度弱化明顯，傳統(tǒng)的支護手段往往出現(xiàn)難支護、支護效果差等問題[7-11]. 結(jié)合小莊煤礦202工作面回采地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究不同煤層厚度、不同地應(yīng)力組合情況下巷道圍巖破壞規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出合理的支護設(shè)計，進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，評價支護效果。

1 工程概況

小莊煤礦202工作面煤層厚度達8～13 m. 直接頂主要為中粒砂巖，厚11～19 m. 偽頂主要為泥巖，局部為粉砂巖，厚0.5～1.75 m. 直接底主要為鋁質(zhì)泥巖，厚約4 m. 工作面埋深為400～550 m，走向長1 328 m. 其中，工作面運輸巷斷面掘進寬度5.7 m，掘進高度3.7 m. 巷道穿煤層并沿煤層走向布置，屬于全煤巷道。

2 圍巖應(yīng)力分布與破壞數(shù)值模擬分析

2.1 構(gòu)建模型

根據(jù)工程勘察地質(zhì)資料，建立三維計算模型，見圖1，模型尺寸為120 m×60 m×50 m，模型上部邊界施加9.5 MPa均布載荷作為上覆巖層自重應(yīng)力，左右邊界施加水平約束條件，垂直位移不做約束，模型底部距離順槽較遠，認為底部邊界不受開挖影響，因而其底部垂直位移和水平位移均限制為0.

圖1 計算模型圖

采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準則為摩爾-庫倫屈服準則，所需地層計算參數(shù)見表1. 各煤層層間采用interface接觸面進行層間處理，使層間能夠產(chǎn)生剪切錯動，接觸面上同樣會根據(jù)摩爾庫倫包絡(luò)線判定是否發(fā)生剪切破壞，以這種方式模擬層間的不連續(xù)性。

表1 地層計算參數(shù)表

2.2 模擬方案

1) 模擬巷道煤層厚度在6 m、9 m、12 m和15 m條件下圍巖應(yīng)力分布特征和變形規(guī)律。

2) 模擬側(cè)壓系數(shù)為0.5、1、2的不同應(yīng)力組合條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況。側(cè)壓系數(shù)為0.5時，垂直應(yīng)力為20 MPa，水平應(yīng)力為10 MPa；側(cè)壓系數(shù)為1時，垂直應(yīng)力為10 MPa，水平應(yīng)力為10 MPa；側(cè)壓系數(shù)為2時，垂直應(yīng)力為10 MPa，水平應(yīng)力為20 MPa.

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1不同煤層厚度下圍巖應(yīng)力分布特征

不同煤層厚度下圍巖應(yīng)力場分布圖見圖2. 由圖2可知，煤層厚度6 m時，由于巷道兩頂角出現(xiàn)應(yīng)力集中，使圍巖最大應(yīng)力值達到20.91 MPa. 煤層厚度9 m時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)有向深部移動的趨勢，但是應(yīng)力集中區(qū)范圍變大，應(yīng)力值降低，此時最大應(yīng)力值約為17.89 MPa. 煤層厚度12 m時，應(yīng)力集中區(qū)繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中區(qū)范圍繼續(xù)增大，應(yīng)力值繼續(xù)降低。煤層厚度至12 m后，這種規(guī)律將不再明顯。當(dāng)煤層厚度15 m時，應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力值變化趨于穩(wěn)定。由此可知，煤層厚度不斷增大，淺部圍巖碎脹加劇，致使應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值減小，但是峰值范圍增大。

圖2 不同煤層厚度下圍巖應(yīng)力場分布圖

2.3.2不同應(yīng)力組合條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

不同應(yīng)力組合條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育圖見圖3. 從圖3中可以看出，整體來看，巷道表面圍巖主要發(fā)生拉破壞，兩頂角和深部圍巖主要以剪壓破壞為主；巷道的塑性區(qū)發(fā)育與最大主應(yīng)力方向保持一致，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為0.5時，巷道頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)范圍明顯大于兩幫，頂部塑性區(qū)范圍最大達到5 m，此工況下頂板支護體系對巷道的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為1時，頂板與兩幫的塑性區(qū)較為平均，巷道兩頂角的塑性區(qū)發(fā)育明顯，支護時應(yīng)該加強兩頂角的支護。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)為2時，巷道的4個角部裂隙發(fā)育最為嚴重，兩幫塑性區(qū)范圍明顯大于巷道頂?shù)装澹瑑蓭退苄詤^(qū)范圍最大達到4.5 m，此工況下應(yīng)該加強兩幫的支護。

圖3 不同應(yīng)力組合條件下圍巖塑性區(qū)發(fā)育圖

3 圍巖控制對策及工業(yè)試驗

在現(xiàn)場試驗段進行了地應(yīng)力測試，測試結(jié)果為：最大垂直應(yīng)力為12.1 MPa，最大水平應(yīng)力為11.4 MPa. 結(jié)合上述模擬研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該工況下最大垂直應(yīng)力約等于最大水平應(yīng)力，此時巷道塑性區(qū)的發(fā)育范圍較為平均，巷道的頂角處破碎嚴重，煤層厚度不斷增大，淺部圍巖碎脹加劇，易發(fā)生整體性冒落。結(jié)合上述規(guī)律可知，提高頂板支護強度，改善淺部圍巖松散破碎尤為關(guān)鍵。同時，頂板強度高、剛度大時，在角部撓度與轉(zhuǎn)角對幫部產(chǎn)生的偏應(yīng)力減小，對幫部的受力情況也有所改善[12].

以改善頂板整體強度為支護原則，提出了高強度預(yù)緊力錨索+錨桿+鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合支護方案，順槽支護見圖4，頂板錨桿規(guī)格d22 mm×2 200 mm，間排距700 mm×800 mm，每排8根，頂板全部錨桿與BHW-150-3.0型鋼帶聯(lián)合使用；錨索規(guī)格為d18.96 mm×7 000 mm，間排距1 400 mm×2 400 mm，每排4根。兩幫錨桿規(guī)格為d22 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm，每排5根，煤層變厚時應(yīng)適當(dāng)加長錨索。

圖4 順槽支護設(shè)計圖

掘進期間巷道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖5. 由圖5可知，成巷后40天圍巖整體變形趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量為72.4 mm，兩幫最大移近量為51.2 mm. 掘進及回采期間沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)兜、片幫和錨桿索拉斷現(xiàn)象。圍巖變形較小，支護效果良好。

圖5 掘進期間巷道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

4 結(jié) 論

1) 隨著煤層厚度增加，頂板應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值范圍增大，應(yīng)力值降低，當(dāng)煤層厚度達到12 m后，這種規(guī)律將不再明顯。不同應(yīng)力組合條件下，巷道的塑性區(qū)發(fā)育與最大主應(yīng)力方向保持一致，支護的關(guān)鍵部位將發(fā)生變化。

2) 以“錨桿一次柔性支護，高強度錨索二次加強支護”為原則的聯(lián)合支護方案與圍巖耦合性較好。