220602 回風(fēng)順槽支護(hù)優(yōu)化及數(shù)值模擬研究

趙俊杰 武振國(guó) 胡亞軍

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司，寧夏 靈武 750410）

隨著煤礦開(kāi)采深度不斷加大，軟巖巷道支護(hù)困難的問(wèn)題長(zhǎng)期困擾礦井正常生產(chǎn)接續(xù)[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從軟巖巷道的變形特征[2]、影響因素[3]、數(shù)值模擬[4]、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、支護(hù)技術(shù)[5]等方面進(jìn)行研究，由于各礦工程條件復(fù)雜性和差異性，采用的支護(hù)技術(shù)也不相同。以石槽村煤礦220602 工作面回風(fēng)順槽為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬分析現(xiàn)有支護(hù)方案支護(hù)效果，為類似巷道支護(hù)工程提供借鑒與參考。

1 工程背景

石槽村煤礦開(kāi)采的220602 工作面所處煤層為井田內(nèi)6 煤層，均煤4.9 m，平均垂深516.5 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定煤層。工作面范圍內(nèi)上距2-2煤底板約140 m，下距10 煤頂板約40 m。煤巖層傾角2°～18°。220602 回風(fēng)順槽為直墻半圓拱形斷面，掘進(jìn)斷面積17.61 m2。巷道采用錨桿、錨索以及噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)。如圖1。

圖1 原巷道支護(hù)斷面（mm）

2 現(xiàn)有支護(hù)方案模擬

2.1 應(yīng)力分析

由圖2 可知，巷道左右?guī)偷淖畲髗向應(yīng)力均為15.9 MPa，巷道的頂?shù)装宄霈F(xiàn)拉應(yīng)力，頂板和底板壁的最大應(yīng)力為0.5 MPa，遠(yuǎn)離頂、底板壁的應(yīng)力為5 MPa 左右。相對(duì)于原始地應(yīng)力12.8 MPa 小很多，說(shuō)明頂板發(fā)生較大應(yīng)力釋放，出現(xiàn)松動(dòng)圈。巷道底板的z向應(yīng)力約為1.14 MPa，影響范圍約在底板以下2 m，比頂板應(yīng)力釋放區(qū)大，易出現(xiàn)反拱。頂板壁的最大x向應(yīng)力為2 MPa，底板壁的最大應(yīng)力為1.7 MPa，兩幫的最大應(yīng)力為5.7 MPa，對(duì)稱分布。

圖2 回風(fēng)順槽應(yīng)力分布云圖

2.2 位移分析

由圖3 可以看出，在支護(hù)狀態(tài)下，位移主要集中在巷道的頂?shù)装迩一境蕦?duì)稱分布，其中頂板最大下沉量107 mm，底板最大位移50 mm。隨著距離巷道中心距離的增加，位移量逐漸減小。水平方向位移集中在巷道兩幫，兩幫處的水平位移最大，均為69 mm，成對(duì)稱分布狀態(tài)，方向指向巷道。

圖3 回風(fēng)順槽位移分布云圖

2.3 塑性區(qū)

由圖4 可以看出，開(kāi)挖支護(hù)后巷道圍巖發(fā)生塑性變形，巷道圍巖破壞為剪切破壞。塑性區(qū)主要分布在兩幫和頂板處，巷道兩幫比頂板塑性區(qū)范圍大，頂板塑性區(qū)域約為0.5 m，兩幫塑性區(qū)約2.5 m。

圖4 回風(fēng)順槽圍巖塑性區(qū)分布云圖

2.4 效果分析

現(xiàn)有支護(hù)體系下巷道頂板、兩幫的位移量、應(yīng)力釋放和塑性區(qū)均較小，說(shuō)明頂板支護(hù)強(qiáng)度滿足要求、幫部當(dāng)前支護(hù)強(qiáng)度較弱。

3 優(yōu)化方案模擬

3.1 支護(hù)理論驗(yàn)算

1）錨桿長(zhǎng)度L驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算得L=2.2 m，即拱部使用L=2.5 m 螺紋鋼錨桿能滿足支護(hù)要求。

2）錨桿間、排距計(jì)算

自然平衡拱理論分析設(shè)計(jì)錨桿間排距s計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算得s≤1.13 m，即錨桿間排距應(yīng)不大于1.1 m×1.1 m。

3）錨桿直徑d計(jì)算

經(jīng)計(jì)算得d頂≥18.1 mm，即頂錨桿直徑應(yīng)不小于18.1 mm。d幫≥18.17 mm，即幫錨桿直徑應(yīng)不小于18.17 mm。

4）拱部錨索長(zhǎng)度L 計(jì)算

經(jīng)計(jì)算得L≥3.2 m，即根據(jù)巷道實(shí)際條件及礦方常用錨索長(zhǎng)度應(yīng)不小于3.2 m。

錨索數(shù)目N計(jì)算公式為：

計(jì)算得：N≥1.58，即需要2 根錨索，間距（弧長(zhǎng)）不大于4 m。

錨索排距L計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算得L≤4.03 m，即錨索間距不大于4 m。

5）根據(jù)普氏自然平衡拱理論確定幫部錨桿

錨桿長(zhǎng)度L計(jì)算公式為：

計(jì)算得L≥1.8 m，即幫部錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于1.8 m。

3.2 優(yōu)化支護(hù)方案一

優(yōu)化支護(hù)方案一的支護(hù)參數(shù)為：頂板為長(zhǎng)8300 mm、直徑為22 mm 的錨索，間排距為1600 mm（每排3 根）×2000 mm，加上長(zhǎng)2500 mm、直徑為22 mm 的錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm。兩幫為長(zhǎng)2000 mm、直徑20 mm 的錨桿，間排距為800 mm×900 mm。經(jīng)數(shù)值模擬得出，頂板z向最大位移為110.04 mm，底板的最大z向位移為54.762 mm，兩幫的z向位移在10 mm 左右。頂?shù)装鍃向最大位移均為5～10 mm，左右?guī)偷乃轿灰凭鶠?7.6 mm。

頂板和底板壁的最大z向應(yīng)力為0.5 MPa，遠(yuǎn)離頂、底板壁的z向應(yīng)力為5 MPa 左右，兩幫的最大z向應(yīng)力均為18 MPa。頂板壁的最大x向應(yīng)力為3 MPa，底板壁的最大x向應(yīng)力為1.5 MPa，遠(yuǎn)離頂、底板壁的x向應(yīng)力為4.5 MPa，兩幫的最大x向應(yīng)力均為5.8 MPa。塑性區(qū)主要分布在頂板及兩幫，頂板兩拱角和兩幫均為剪切破壞，巷道底板為拉伸破壞，兩幫的塑性區(qū)范圍大致在5 m 左右，頂板兩拱角范圍在3 m 左右，底板在0.5 m 范圍內(nèi)。

3.3 優(yōu)化支護(hù)方案二

優(yōu)化支護(hù)方案二的支護(hù)參數(shù)為：頂板為錨索長(zhǎng)5300 mm、直徑22 mm，間排距1200 mm×1000 mm，幫部為錨桿長(zhǎng)2500 mm、直徑20 mm，間排距800 mm×1000 mm。方案二模擬結(jié)果為，頂板的最大z向位移為110.24 mm，底板的最大z向位移為54.8 mm，兩幫的z向位移在10 mm 左右。頂?shù)装宓淖畲髕向位移均為10 mm，兩幫的水平位移均為69.2 mm。頂板和底板壁的最大z向應(yīng)力為0.44 MPa，遠(yuǎn)離頂板壁的z向應(yīng)力為7 MPa，遠(yuǎn)離底板壁的z向應(yīng)力為6 MPa，兩幫的最大z 向應(yīng)力為17 MPa。頂?shù)装灞诘淖畲髕向應(yīng)力為1.59 MPa，遠(yuǎn)離頂板的x向應(yīng)力為4.5 MPa，遠(yuǎn)離底板壁的x向應(yīng)力為5 MPa，左幫的最大x向應(yīng)力為5.79 MPa，右?guī)偷淖畲髕向應(yīng)力為5.7 MPa。

塑性區(qū)主要分布在巷道頂板及兩幫，兩幫及頂板兩拱角為剪切破壞，底板為拉伸破壞。兩幫的塑性區(qū)范圍大致在5 m 左右，頂板兩拱角在3.5 m 范圍左右，底板在0.5 m 范圍內(nèi)。

3.4 方案對(duì)比分析

3.4.1 頂板支護(hù)方案分析

根據(jù)對(duì)3 個(gè)方案的數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)巷道頂板的應(yīng)力、位移做出對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 回風(fēng)順槽頂板優(yōu)化方案及位移、應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

由表1 可知，改變錨桿長(zhǎng)度、間排距對(duì)橫向應(yīng)力沒(méi)有太大的影響，因此不再考慮水平應(yīng)力的影響。與原支護(hù)相比，兩組優(yōu)化支護(hù)方案的z向應(yīng)力與位移均無(wú)較大變化。

3.4.2 兩幫支護(hù)方案優(yōu)化分析

兩幫的支護(hù)優(yōu)化方案及計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 回風(fēng)順槽兩幫優(yōu)化方案及位移、應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

由表2 可知，左幫第1 組和第2 組的錨桿直徑不變，長(zhǎng)度加長(zhǎng)，錨桿間排距變小，水平位移變化不大，說(shuō)明間排距、長(zhǎng)度對(duì)兩幫橫向位移沒(méi)有較明顯的影響，查看兩幫的x向應(yīng)力、z向應(yīng)力，均沒(méi)有明顯的變化。

3.4.3 優(yōu)化效果分析

綜上所述，在僅考慮頂板條件時(shí)，原支護(hù)的間排距設(shè)置過(guò)于保守。結(jié)合模擬結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)可適當(dāng)增大支護(hù)間排距。在3 組方案的對(duì)比分析中，巷道的位移與應(yīng)力均無(wú)明顯差異，因此可不將應(yīng)力作為影響因素進(jìn)行分析。綜合考慮支護(hù)材料用量，如表3所示，第1 組優(yōu)化方案較原支護(hù)減少了12.6%，在保證巷道生產(chǎn)安全的情況下為最優(yōu)方案。

表3 巷道優(yōu)化支護(hù)方案材料用量對(duì)照組

4 結(jié)語(yǔ)

1）現(xiàn)有支護(hù)體系下巷道周圍多為壓應(yīng)力，由中心向外數(shù)值逐漸增大，向巷道擠壓，應(yīng)力釋放較多；巷道周圍均為剪切破壞，并且兩幫的受剪破壞區(qū)域較大。巷道頂板、兩幫的位移量、應(yīng)力釋放和塑性區(qū)均較小，說(shuō)明頂板支護(hù)強(qiáng)度滿足要求、幫部當(dāng)前支護(hù)強(qiáng)度較弱。

2）兩組優(yōu)化方案能節(jié)省大量的材料和支護(hù)費(fèi)用且能實(shí)現(xiàn)與原支護(hù)相差不多的支護(hù)效果，綜合分析將第1 組方案定為最優(yōu)方案。