軟巖巷道支護(hù)方案及數(shù)值模擬分析

韓 秀

（西山煤電西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

一直以來，煤礦安全生產(chǎn)備受煤礦企業(yè)以及作業(yè)人員的關(guān)注。我國煤炭資源分布較廣，煤礦綜采工作面的地質(zhì)、水文以及煤層情況不盡相同。軟巖巷道在我國分布較廣，其支護(hù)問題一直是礦業(yè)工程的難點[1]。近年來，軟巖巷道的支護(hù)和維修問題越發(fā)的突出，實現(xiàn)對軟巖巷道較好的支護(hù)效果是保證煤礦開采和安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。本文著重對某礦1201工作面軟巖巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，并對支護(hù)后的效果進(jìn)行數(shù)值模擬驗證。

1 工程概況

本文所研究煤礦為單一斜構(gòu)造，工作面煤層呈東南-西北走向，煤層傾角范圍為58°～70°，平均傾角為65°，屬于急傾斜煤層。經(jīng)現(xiàn)場勘測可得：該工作面的總長度為1 900 m，其中傾斜工作面的長度為190 m，現(xiàn)場可供開采的煤層面積初略估計有350 000 m2，而且綜合分析煤層地質(zhì)及水文條件，該工作面的煤層屬于穩(wěn)定煤層。

經(jīng)現(xiàn)場勘測，1201工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示：

表1 1201工作面煤層頂?shù)装迩闆r

最大涌水量25 m3/h，正常涌水量為0～5 m3/h。瓦斯絕對涌出量為2 m3/min，煤塵爆炸指數(shù)：21.33%、煤塵具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ級，易自燃。

目前，1201工作面的軟巖巷道常出現(xiàn)冒頂事故，且巷道兩幫的變形相對平緩，穩(wěn)定期可持續(xù)25 d。因此，針對1201軟巖巷道工作面的支護(hù)需注意以下三個方面：改善軟巖巷道的物理力學(xué)性質(zhì)，提升軟巖巷道自身的穩(wěn)定性；采用適當(dāng)措施對工作面的透水進(jìn)行疏散或者封堵，減少透水對軟巖巷道的進(jìn)一步軟化；對軟巖巷道進(jìn)行支護(hù)后，盡可能地保證支架和軟巖巷道緊密接觸。

2 軟巖巷道支護(hù)方案的設(shè)計

針對1201軟巖巷道工作面當(dāng)前支護(hù)方案下所存在安全問題，本文對1201軟巖巷道工作面采用超前支護(hù)赫爾注漿加固的支護(hù)方案，提升軟巖巷道的支護(hù)效果和質(zhì)量[2]。

所謂超前支護(hù)指的是軟巖巷道工作面設(shè)計一個拱形的連續(xù)殼體，實現(xiàn)對軟巖巷道圍巖變形的控制。根據(jù)加固措施的不同可將超前支護(hù)分為地層改良法和預(yù)支護(hù)法。地層改良法是對工作面周圍地層土的特性；預(yù)支護(hù)法可提升軟巖巷道的自穩(wěn)定性。本文采用預(yù)支護(hù)法中的管棚支護(hù)對軟巖巷道進(jìn)行超前支護(hù)。管棚支護(hù)法需確定管棚的長度、鋼管的規(guī)格以及管棚的開孔位置、環(huán)向間距等。

2.1 管棚尺寸參數(shù)的確定

管棚長度L：

式中：H為軟巖巷道圍巖的坍塌高度，取2.51 m；φ為軟巖巷道圍巖的內(nèi)摩擦角，取26.21°。

將數(shù)值代入公式得出：管棚長度L=5.5 m。為保證軟巖巷道支護(hù)在圍巖特性較差的支護(hù)效果，將管棚長度適當(dāng)加長，取管棚長度為6 m。

一般，在工程應(yīng)用中管棚常選擇無縫鋼管，且直接一般在50～180 mm之間。此外，為提高現(xiàn)場管棚的施工效率，常將管棚分節(jié)制作，分節(jié)安裝[3]。鑒于1201軟巖巷道工作面的情況，選用無縫鋼管的直徑為50 mm，鋼管壁的厚度為5 mm，每節(jié)鋼管的長度為3 m。

2.2 管棚位置參數(shù)的確定

管棚開孔位置的確定需綜合考慮管棚的施工效率和靠近開挖輪廓線的原則。而且，所選型管棚無縫鋼管的直徑為50 mm，屬于小直徑鋼管。因此，將管棚無縫鋼管的開孔距離確定為距離輪廓線300 mm。結(jié)合軟巖工作面防水要求、施工精度以及圍巖穩(wěn)定性等多項原則，管棚環(huán)向間距一般為300～500 mm之間[4]。考慮到1201軟巖巷道工作面圍巖的破碎特點，確定管棚的環(huán)向間距為300 mm。

綜上所述，針對1201軟巖巷道工作面管棚支護(hù)參數(shù)所確定的支護(hù)斷面如圖1所示：

圖1 軟巖巷道工作面管棚支護(hù)斷面圖（單位：mm）

3 軟巖巷道支護(hù)效果的數(shù)值模擬

為驗證為設(shè)計管棚支護(hù)方案的效果和質(zhì)量，基于FLAC3D軟件對軟巖巷道工作面采用管棚支護(hù)方案后工作面的應(yīng)力情況進(jìn)行模擬分析。

3.1 軟巖巷道模型的搭建

根據(jù)1201軟巖巷道工作面的尺寸和頂?shù)装迩闆r建立模型，所搭建的模型如圖2所示：

圖2 軟巖巷道數(shù)值模擬模型

根據(jù)1201軟巖巷道工作面頂?shù)装甯髦袔r性的特征對模型中體積模量、剪切模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力和抗拉強度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.2 管棚支護(hù)模型的搭建

結(jié)合如圖1所示的管棚支護(hù)效果，基于FLAC3D建立U型25鋼的支護(hù)模型，并在FLAC3D模型中對U型25鋼的彈性模量、泊松比、慣性矩以及橫截面積等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[5]，最終所得管棚支護(hù)的模型如圖3所示：

圖3 管棚支護(hù)數(shù)值模擬模型

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為驗證管棚支護(hù)效果，對普通支護(hù)狀態(tài)和管棚支護(hù)狀態(tài)下軟巖巷道圍巖的變形、應(yīng)力以及圍巖狀態(tài)進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模擬結(jié)果分析如下。

分析圖4、圖5可知，采用管棚支護(hù)后軟巖巷道圍巖的變形和應(yīng)力狀態(tài)得到有效控制。

圖4 巷道圍巖變形對比

圖5 巷道圍巖應(yīng)力對比

4 結(jié)論

1）根據(jù)1201軟巖巷道工作面的參數(shù)確定管棚鋼管的長度為6 m，鋼管直徑為50 mm，鋼管長度為3 m并分節(jié)制動；距離輪廓線300 mm開孔，環(huán)向間距確定為300 mm。

2）基于FLAC3D軟件對U25鋼管棚支護(hù)效果驗證得出，管棚支護(hù)后工作面應(yīng)力和變形較普通支護(hù)方案下得到有效控制。