石窟煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的數(shù)值模擬研究與應(yīng)用

張繼兵

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)三元石窟煤業(yè)有限公司，山西長(zhǎng)治，047500）

1 引言

煤礦巷道作為煤礦生產(chǎn)運(yùn)作的主要場(chǎng)地之一，其支護(hù)研究面對(duì)各個(gè)煤礦復(fù)雜且不盡相同的地質(zhì)條件要實(shí)現(xiàn)支護(hù)費(fèi)用、施工難度以及安全性等多個(gè)方面的合理統(tǒng)一，這成為當(dāng)代巷道支護(hù)的重要研究課題，長(zhǎng)久以來(lái)通過煤礦現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、大量的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算研究方法以及便捷準(zhǔn)確的數(shù)值方法成為該項(xiàng)研究的主要方法，使得巷道支護(hù)的研究結(jié)果在兼具準(zhǔn)確性的同時(shí)大大提高了研究的預(yù)測(cè)范圍，同時(shí)隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展多種研究方法和多維度的研究相結(jié)合為巷道支護(hù)研究提供了更為理想的平臺(tái)。董方庭[1]、侯朝炯[2]、柏建彪[3]等通過采用多種方法對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行了研究。本文根據(jù)石窟煤礦地質(zhì)條件結(jié)合前人的研究，針對(duì)不同支護(hù)方式在該煤礦巷道的支護(hù)效果應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析的方法證明注漿法支護(hù)可以更加有效的控制巷道圍巖的位移變形，為之后同類型巷道復(fù)合支護(hù)提供一定的參考。

2 巷道支護(hù)

煤礦巷道支護(hù)中控制巷道壓力是首要問題，科學(xué)的支護(hù)方法應(yīng)將巷道圍巖殘余的部分強(qiáng)度加以考慮，通過支護(hù)措施與該部分殘余強(qiáng)度配合來(lái)達(dá)到最為理想的加固圍巖支護(hù)巷道的最終目的[4]，為達(dá)到此目的一般應(yīng)在巷道支護(hù)中遵循以下基本原則：（1）利用混凝土等材料的覆蓋減緩或中斷圍巖受到作業(yè)環(huán)境中空氣及水分的侵蝕從而保持圍巖的強(qiáng)度，并進(jìn)一步應(yīng)用錨桿、錨索注漿等支護(hù)方法對(duì)圍巖進(jìn)行直接的加固，提高破碎圍巖的整體性形成相互作用的完整支護(hù)結(jié)構(gòu)；（2）支護(hù)材料的合理選擇直接決定著支護(hù)效果，剛性支護(hù)一般應(yīng)用于地應(yīng)力較為簡(jiǎn)單的工況中，當(dāng)壓力較大時(shí)支護(hù)材料的彈性可以維持支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，維持圍巖的主動(dòng)承載能力。（3））通過長(zhǎng)久的工程現(xiàn)場(chǎng)研究可得二次支護(hù)可以進(jìn)一步對(duì)巷道破碎圍巖進(jìn)行封閉支護(hù)，在減緩圍巖受到的侵蝕的同時(shí)一定幅度提高支護(hù)強(qiáng)度從而保持巷道支護(hù)的持久性[5]。

3 數(shù)值模擬分析

本文根據(jù)石窟煤礦某運(yùn)輸巷道及頂?shù)装宓刭|(zhì)情況如圖1所示，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，其中模型中各巖層按照表1提供的參數(shù)進(jìn)行依次賦值，依照圣維南原理確定模型的大小為65 m×20 m×75 m，共計(jì)生成77 282個(gè)單元共101 550個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型四周設(shè)置為水平邊界，模型底部限制自由移動(dòng)，模型上部為自由邊界，巷道埋深為280 m模型未建立部分土層通過施加均布的地應(yīng)力荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)，模擬開挖工程中采用一次開挖全部，并同步采取相應(yīng)支護(hù)措施的方法。

圖1 模型建立巖層分布表

表1 模型建立巖體力學(xué)參數(shù)表

為對(duì)比不同支護(hù)方法在石窟煤礦巷道的支護(hù)效果模擬中采用三種不同的支護(hù)方式進(jìn)行多指標(biāo)的縱向?qū)Ρ?，分別為無(wú)支護(hù)式、錨桿+錨索+型鋼+噴漿的復(fù)合支護(hù)式以及錨桿+錨索+型鋼+注漿的復(fù)合支護(hù)式，且為研究支護(hù)方式的不同效果各支護(hù)方式中采用的材料相同。同時(shí)根據(jù)懸吊及組合拱錨桿支護(hù)理論計(jì)算錨桿的長(zhǎng)度，應(yīng)用自然平衡拱理論計(jì)算幫錨桿的長(zhǎng)度，具體長(zhǎng)度:

式中:L—錨桿長(zhǎng)度，m；

L1—外露錨桿長(zhǎng)度，0.15 m；

L2—錨桿有效長(zhǎng)度；計(jì)算中頂錨桿等于b，幫錨桿等于S；

L3—錨入巖層內(nèi)深度，1.2 m；

其中b為普氏免壓拱高,S為煤幫破壞深度。

式中：B—巷道跨度，取為5.0 m；

H—巷道高度，取為3.2 m；

fd—巷道頂板巖層普氏系數(shù)，取為3；

ωb——巷道兩幫巖體內(nèi)摩擦角，取71°

計(jì)算得出b=1.01 m，

煤巷兩幫破壞深度S由下式確定：

式中:fm—煤層硬度系數(shù)，取3；

H—煤層厚度，取3.2 m；

φ—煤的內(nèi)摩擦角，28°

計(jì)算得出S=0.64 m，故得L頂錨桿≥2.36 m；L幫錨桿≥1.99 m。最終實(shí)際支護(hù)頂錨桿長(zhǎng)度確定為2.5 m，幫錨桿長(zhǎng)度確定為2.0 m，即頂板錨桿采用φ22×L2 500 mm螺紋鋼錨桿，兩幫錨桿采用φ22×L2 000 mm，錨桿的間排距為800 mm×800 mm；每個(gè)斷面采用15根錨桿，其中9根2.5 m，6根2.0 m，5根錨索，每根錨固段長(zhǎng)為1 500 mm，錨索緊固后外露長(zhǎng)度150 mm～250 mm；灌漿厚度500 mm，注漿及噴漿材料使用水泥：沙子：水=1:3:0.4制成，材料參數(shù)如表2所示，巷道加固斷面布置如圖2所示。

表2 模型支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)表

圖2 巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

圖3 不同支護(hù)條件下巷道變形云團(tuán)

模擬結(jié)果如圖3所示，相較于圖3-A無(wú)支護(hù)條件下掘進(jìn)巷道圍巖位移較大，其中巷道頂板沉降量峰值為300 mm，最大底鼓量為250 mm，兩幫變形最大值為200 mm；而模擬B、C在錨桿、錨索、漿液以及型鋼的復(fù)合支護(hù)條件下巷道圍巖穩(wěn)定性大幅度提高，其中注漿復(fù)合支護(hù)的控制效果更為明顯，頂板位移量減少近270 mm而底鼓量減少約180 mm，兩幫移近量也控制在30 mm以內(nèi)這樣可以最大化的保持了巷道的穩(wěn)定性；圖3-B顯示噴漿法的復(fù)合支護(hù)在圍巖控制中雖然起到了一定的作用圍巖位移量均有所改善，但由于噴漿支護(hù)法通過錨桿錨索將頂板及兩幫的破碎巖體重新拉結(jié)為受力拱形，其上部應(yīng)力向底板中釋放形成一定范圍的應(yīng)力集中會(huì)加劇底板隆起，相反注漿法復(fù)合支護(hù)通過提高巷道圍巖的整體性及穩(wěn)定性使地應(yīng)力的作用分布更加均勻，這樣可以進(jìn)一步達(dá)到提高巷道圍巖穩(wěn)定性的目的。

圖4 不同支護(hù)條件下巷道圍巖塑形區(qū)分布圖

如圖4所示，采用噴漿法進(jìn)行巷道加固后，一定程度上降低了兩幫和頂板塑性區(qū)的擴(kuò)展，形成該區(qū)域塑性區(qū)大小約為1.5 m～2.0 m左右，此時(shí)底板處未加強(qiáng)支護(hù)狀態(tài)，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大其范圍超過2.5 m。采用注漿法對(duì)巷道進(jìn)行加固后采掘造成的塑性區(qū)大小約為0.5 m左右，在巷道肩部、底角形成應(yīng)力集中，此處的塑性區(qū)范圍相對(duì)較大約為0.5 m～1.0 m左右。通過對(duì)比巷道塑性區(qū)域和巷道圍巖的變形可知在石窟礦應(yīng)用相同規(guī)格的錨桿錨索支護(hù)過程中注漿法優(yōu)于噴漿法。

實(shí)際應(yīng)用中巷道頂板沉降可以反映巷道圍巖在支護(hù)后的穩(wěn)定性情況，本次監(jiān)測(cè)內(nèi)容為石窟煤礦巷道應(yīng)用灌漿法復(fù)合支護(hù)后頂板下沉量，此次觀測(cè)共布置3個(gè)測(cè)站，間隔40 m，監(jiān)測(cè)周期為30天。如圖5所示模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在變形趨勢(shì)上基本相同，表明此次模擬結(jié)果可以作為今后實(shí)際施工的參考。

圖5 注漿法支護(hù)頂板下沉監(jiān)測(cè)曲線圖

從斷面1開始應(yīng)用注漿法支護(hù)后巷道頂板沉降量在前15 d增長(zhǎng)明顯，其中最大值為斷面1監(jiān)測(cè)到的90 mm，隨后頂板位移變形速率不斷減小，沉降逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)比三個(gè)斷面監(jiān)測(cè)曲線其變化規(guī)律基本一致，隨著支護(hù)的不斷進(jìn)行越靠近施工面頂板沉降越小，表明前部支護(hù)提高了巷道圍巖的整體性對(duì)后部支護(hù)有很大的幫助，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示灌漿法復(fù)合支護(hù)可以有效的控制巷道圍巖變形。

4 結(jié)論

（1）采用錨桿、錨索、漿液以及型鋼的復(fù)合支護(hù)條件下巷道圍巖穩(wěn)定性大幅度提高，其中在石窟煤礦地質(zhì)條件下模擬顯示注漿復(fù)合支護(hù)的控制效果更為明顯，頂板位移量明顯減少近270 mm而底鼓量減少約180 mm，兩幫移近量也控制在30 mm以內(nèi)這樣可以最大化的保持了巷道的穩(wěn)定性；

（2）通過對(duì)比模擬中頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏亢拖锏绹鷰r塑形區(qū)對(duì)比可得噴漿法的復(fù)合支護(hù)在圍巖控制中雖然起到了一定的作用，顯示圍巖位移量均有所改善，但由于噴漿支護(hù)法通過錨桿錨索將頂板及兩幫的破碎巖體重新拉結(jié)為受力拱形，其上部應(yīng)力向底板中釋放形成一定范圍的應(yīng)力集中會(huì)加劇巷道對(duì)應(yīng)位置底板的隆起，相反注漿法復(fù)合支護(hù)通過提高巷道圍巖的整體性及穩(wěn)定性使地應(yīng)力的作用分布更加均勻，這樣可以進(jìn)一步達(dá)到提高巷道圍巖穩(wěn)定性的目的，因此在復(fù)合支護(hù)法的選取中灌漿復(fù)合支護(hù)優(yōu)勢(shì)明顯；

（3）通過對(duì)應(yīng)用注漿法復(fù)合支護(hù)后巷道頂板沉降量的監(jiān)測(cè)和分析進(jìn)一步證明該方法在巷道支護(hù)應(yīng)用中效果優(yōu)于噴漿法，石窟煤礦的應(yīng)用結(jié)果可為同類型巷道支護(hù)提供一定的參考。