深部高應(yīng)力半煤巖巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

宋家樂，丁 斌，孫利輝，賀慶豐

（河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000）

赤峪煤礦C1206 工作面和回采巷道埋深700 m，最大水平主應(yīng)力26.69 MPa，屬于深部高應(yīng)力巷道，巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，在巷道掘進(jìn)過程中，巷道兩幫上部出現(xiàn)大變形，且錨桿有隨圍巖整體外移現(xiàn)象，為控制巷道圍巖，亟需對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在控制深部高應(yīng)力巷道圍巖方面，已有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。余偉健等[1]通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算等方法對(duì)半煤巖巷的失穩(wěn)機(jī)制及控制進(jìn)行研究，提出了以“桁架錨索”為核心的“錨、網(wǎng)、索、梁”綜合支護(hù)技術(shù)；孟慶斌等[2]揭示了深部高應(yīng)力破碎軟巖巷道變形破壞特征，提出了“錨網(wǎng)索噴+U 型鋼支架+注漿+底板錨注”分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；劉剛等[3]通過數(shù)值模擬的方法，提出了協(xié)同支護(hù)理論并將該理論作為深部巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)；王猛等[4]基于錨索對(duì)煤巖結(jié)構(gòu)面加固機(jī)制的分析，研發(fā)了以強(qiáng)力支護(hù)、巷幫傾斜穿層錨索為核心的圍巖控制技術(shù)；孫利輝等[5-6]分析了巷幫強(qiáng)烈變形破壞特征，研究了巷幫滑移變形機(jī)理，提出了巷幫錨注加固技術(shù)；李和林等[7]分析了地應(yīng)力的分布特征及其對(duì)巷道布置和穩(wěn)定性的影響，研發(fā)了對(duì)稱非對(duì)稱聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；此外，還有一些學(xué)者[8-11]通過數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)深部高應(yīng)力巷道進(jìn)行了研究，并提出了巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的方案。

以上學(xué)者對(duì)深部高應(yīng)力巷道進(jìn)行了卓有成效的研究，本文借鑒其中的研究方法，針對(duì)赤峪煤礦2號(hào)煤層回采巷道半煤巖巷受深部高應(yīng)力出現(xiàn)大變形的情況，進(jìn)行理論計(jì)算分析，以赤峪煤礦2 號(hào)煤層工作面回采巷道為背景，在原支護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行錨桿材料及錨桿、錨索間排距的優(yōu)化，運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D 構(gòu)建數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算模擬，在巷道表面及巷道深部設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道圍巖變形、應(yīng)力及塑性區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析，選取最優(yōu)的支護(hù)方案。

1 概況

赤峪煤礦C1206 工作面位于該礦中央一采區(qū)北翼下部，工作面總體上沿南北向布置。C1206 工作面頂?shù)装逯鶢顖D如圖1 所示，2 號(hào)煤位于山西組的中上部，煤層厚度0.85 ～1.7 m，平均1.6 m。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度在3.7 m 左右，老頂為粉砂巖，厚度在3.5 m 左右；直接底為砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，厚度在3.5 m 左右。實(shí)測(cè)原巖最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力，量值為26.69 MPa，方向?yàn)镹E126.4°，C1206 工作面順槽巷道與最大水平主應(yīng)力夾角為86°，屬大角度斜交。

圖1 C1206 工作面頂?shù)装逯鶢顖DFig.1 Cylindrical chart of roof and floor of No.C1206 Face

C1206 工作面順槽沿2 號(hào)煤層頂板布置，設(shè)計(jì)斷面為矩形，為半煤巖巷。巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，其中頂板錨桿規(guī)格為φ20 mm×2400 mm 的Q500 左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，間排距為860 mm×1000 mm；頂板錨索規(guī)格為φ18.9 mm×6200 mm，間排距為1800 mm×2000 mm；巷幫煤體中錨桿規(guī)格為φ18 mm×2400 mm 的Q335 左旋螺紋鋼錨桿，巖體中錨桿規(guī)格為φ20 mm×2400 mm 的Q500 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為850 mm×1000 mm；采用φ6mm 的盤條焊制鋼筋網(wǎng)護(hù)表；錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm 的球型托盤，錨索托盤規(guī)格為300 mm×300 mm×18 mm高強(qiáng)托盤。

實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變形破壞較大，其中較突出的是巷幫煤巖界面部位，變形高達(dá)0.5 m，并伴有錨桿整體隨圍巖外移的現(xiàn)象，一旦工作面開采圍巖變形，將難以滿足巷道的正常使用。圖2 對(duì)原支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的數(shù)值模擬也進(jìn)一步驗(yàn)證了巷道圍巖變形破壞規(guī)律，巷幫塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)大于錨桿長(zhǎng)度，錨桿作用減弱，需要對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，保證巷道服役期內(nèi)正常使用。

圖2 原支護(hù)條件下巷道圍巖破壞圖Fig.2 Failure diagram of surrounding rock under original support

2 半煤巖巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化模擬分析

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

基于C1206 工作面的開采地質(zhì)條件，構(gòu)建長(zhǎng)×寬×高為50 m×50 m×50 m 的數(shù)值模型。采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，在模型的左、右、前、后邊界均施加水平約束，底邊界施加水平及垂直約束，上邊界為自由邊界，施加垂直方向載荷17.25MPa。巷道斷面為矩形寬×高為4.5m×3.3m，巷道沿2號(hào)煤頂板布置，屬于半煤巖巷，巷幫上部為煤層、下部為巖層。根據(jù)巷道支護(hù)理論和赤峪煤礦實(shí)際條件設(shè)計(jì)3 個(gè)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案，見表1。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 錨桿（索） 支護(hù)參數(shù)Table 1 Bolt(cable)support parameters

表2 巖體力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock mass

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 3 種支護(hù)方案下巷道圍巖變形分析

圖3 為3 個(gè)支護(hù)方案的巷道圍巖移近量曲線，圖中移近量數(shù)值正負(fù)與坐標(biāo)軸正負(fù)方向一致。由圖可知，方案一、二、三頂?shù)装逡平糠謩e為69.22、95.27、161.49 mm，方案一、二、三兩幫移近量分別為68.31、287.49、711.58 mm。總體上看，方案一對(duì)巷道圍巖變形控制效果最優(yōu)；頂?shù)装宓淖冃畏植季哂忻黠@的對(duì)稱特性，圍巖最大移近量均位于巷道頂、底板的中央部位；對(duì)比3 個(gè)方案，其中頂?shù)装逡平糠桨敢弧⒍^方案三分別減小了92.25 mm、66.22 mm，兩幫移近量方案一、二較方案三分別減小了92.25 mm、219.18 mm，進(jìn)一步說明方案一在支護(hù)強(qiáng)度、圍巖控制方面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)比巷幫的變形可以發(fā)現(xiàn)，受巷幫上部為煤體下部為巖體的條件影響，巷幫上部變形明顯大于下部，方案一和方案二均需要加大對(duì)巷幫煤體的支護(hù)強(qiáng)度。

圖3 巷道圍巖移近量曲線Fig.3 Convergence curve of roadway surrounding rock

2.2.2 3 種支護(hù)方案下巷道圍巖控制效果分析

圖4 為巷道圍巖綜合分析曲線，由圖可知，方案一、二、三圍巖垂直應(yīng)力集中區(qū)分別位于巷幫圍巖2.0、2.3、3.3 m 處，對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力峰值分別為37、34、30 MPa；方案一、二、三圍巖水平應(yīng)力集中區(qū)分別位于頂?shù)装鍑鷰r1.8、2.0、2.0、2.1、2.1、2.2 m 處，對(duì)應(yīng)的水平應(yīng)力峰值分別為35、65、34、55、32、52 MPa；圍巖應(yīng)力曲線均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，應(yīng)力峰值隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大而增大，支護(hù)強(qiáng)度越大，應(yīng)力集中區(qū)越靠近巷道表面。圍巖應(yīng)力曲線均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，應(yīng)力峰值隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大而增大，支護(hù)強(qiáng)度越大應(yīng)力集中區(qū)越靠近巷道表面。巷道圍巖變形呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，其中頂板變形出現(xiàn)了“三段式”變化，第一段以錨桿長(zhǎng)度為節(jié)點(diǎn)，在頂板圍巖2.4 m 處產(chǎn)生變化，位移增量第一次降低，此時(shí)，頂板圍巖主要受錨索的控制作用；第二段以錨索長(zhǎng)度為節(jié)點(diǎn)，在頂板圍巖6.8 m 處產(chǎn)生變化，位移增量出現(xiàn)第二次降低，在頂板圍巖10.0 m 處，圍巖依舊存在大于15 mm 的變形區(qū)域，說明巷道頂板破壞影響深度較大；巷幫變形出現(xiàn)了“兩段式”變化，以錨桿長(zhǎng)度為節(jié)點(diǎn)，在巷幫圍巖2.4 m 處產(chǎn)生變化，位移增量急劇降低，位移曲線逐漸趨于平緩，在巷幫圍巖6.0 m 處，位移增量基本為0，說明巷道兩幫破壞的影響深度遠(yuǎn)小于頂板破壞的影響深度。方案一兩幫塑性區(qū)主要位于煤幫區(qū)域，底板塑性區(qū)只分布于幫角附近；方案二兩幫塑性區(qū)除煤幫區(qū)域外，塑性區(qū)從巷道底角向煤幫區(qū)域發(fā)展，底板塑性區(qū)從巷道底角向底板中部發(fā)展；方案三兩幫塑性區(qū)進(jìn)一步向深部發(fā)展，塑性區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出錨桿的支護(hù)范圍，方案三已不能有效控制圍巖變形。

圖4 巷道圍巖綜合分析曲線Fig.4 Comprehensive analysis curve of roadway surrounding rock

2.2.3 3 種支護(hù)方案下巷道圍巖變形破壞分析

圖5 為巷道圍巖塑性區(qū)及支護(hù)體受力圖，由圖可知，方案一模型中剪切破壞單元面積為17.892 m2，占巷道圍巖破壞區(qū)的99.114%，張拉破壞單元面積為0.16 m2，占巷道圍巖塑性區(qū)的0.886%，同時(shí)受到張拉破壞與剪切破壞的單元面積為0.158 m2，占巷道圍巖塑性區(qū)的0.875%；方案二模型中剪切破壞單元面積為28.73 m2，占巷道圍巖塑性區(qū)的98.762%，張拉破壞單元面積為0.36 m2，占巷道圍巖塑性區(qū)的1.238%，同時(shí)受到張拉破壞與剪切破壞的單元面積為0.292 m2，占巷道圍巖塑性區(qū)的1.004%；方案三模型中剪切破壞單元面積為49.422 m2，占巷道圍巖塑性區(qū)的97.943%，張拉破壞單元面積為1.038 m2，占巷道圍巖塑性區(qū)的2.057%，同時(shí)受到張拉破壞與剪切破壞的單元面積為0.938 m2，占巷道圍巖塑性區(qū)的1.859%。巷道圍巖以剪切破壞為主，發(fā)生輕微的張拉破壞。巷道圍巖剪切破壞隨著支護(hù)強(qiáng)度的降低，在巷道頂板及巷道兩幫上部位置向圍巖深部發(fā)展，巷道下幫角發(fā)生的輕微剪切破壞，順著滑移線方向向圍巖深部發(fā)展；巷道兩幫上部表層同時(shí)產(chǎn)生的剪切破壞與張拉破壞，沿著兩幫表面擴(kuò)展；煤巖分界面處發(fā)生微小的張拉破壞，沿著煤巖分界面向圍巖深部發(fā)展。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)及支護(hù)體受力情況Fig.5 Plastic zone of roadway surrounding rock and stress condition of supporting body

方案一、方案二的錨桿、錨索的應(yīng)力集中區(qū)分布在自由端，方案一的錨桿最大受力為80 kN，錨索最大受力為107 kN，方案二的錨桿最大受力為85 kN，錨索最大受力為112 kN；方案三兩幫上部錨桿的應(yīng)力集中區(qū)分布在錨固段，錨桿的最大受力為200 kN，頂板中部及兩幫幫角的錨桿、錨索的應(yīng)力集中區(qū)分布在錨固段端頭位置，錨桿的最大受力為100 kN，錨索的最大受力為130 kN。通過分析可得方案二錨桿錨索受力較合理。

綜合以上分析，方案一巷道圍巖變形最小，方案三巷道圍巖變形最大；方案一、二均能有效控制巷道圍巖變形，方案三兩幫上部錨桿不能有效控制巷道兩幫變形。通過經(jīng)濟(jì)效益以及是否能夠有效控制圍巖2 個(gè)方面綜合考慮，巷道支護(hù)選擇方案二。

3 結(jié) 論

基于赤峪煤礦2 號(hào)煤層回采巷道半煤巖巷的圍巖性質(zhì)，進(jìn)行巷道支護(hù)優(yōu)化，能夠同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)與安全，有效的保證巷道圍巖穩(wěn)定。

（1） 工作面的最大主應(yīng)力與巷道大角度斜交，近似垂直，巷道極易在局部及頂?shù)装宄霈F(xiàn)大變形破壞；巷道原支護(hù)方案，支護(hù)強(qiáng)度較小，不能夠有效控制巷道圍巖變形。

（2） 通過巷道圍巖應(yīng)力、變形、塑性區(qū)及錨桿、錨索受力等方面的綜合分析，方案一、二為優(yōu)選方案。相較于方案一，方案二在有效控制巷道圍巖變形的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了支護(hù)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。綜合分析，方案二為最優(yōu)方案。方案二采用的長(zhǎng)度為2.4 m、間排距為0.8 m 的錨桿和長(zhǎng)度為6.8 m、間排距為1.6 m 的錨索對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)，該方案能夠有效地控制巷道的圍巖變形，滿足巷道正常使用的要求。