李學(xué)彬,曲廣龍,黃萬鵬,夏方遷,陸 侃,王 軍

(中國礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083)

高支承壓力區(qū)沿空留巷充填體強(qiáng)化支護(hù)的數(shù)值模擬研究

李學(xué)彬,曲廣龍,黃萬鵬,夏方遷,陸 侃,王 軍

(中國礦業(yè)大學(xué) (北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083)

結(jié)合東榮二礦 18層右五面沿空留巷具體地質(zhì)條件和支護(hù)工程實(shí)踐,得出充填支護(hù)體承受荷載大且強(qiáng)度低,垂向應(yīng)力超限而發(fā)生破壞,提出加強(qiáng)充填支護(hù)體強(qiáng)度和減少荷載的措施。通過FLAC3D進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化,確定強(qiáng)化支護(hù)方式參數(shù):緩沖層厚度為 200mm;單體支柱排距為 0.6m;充填體采用雙預(yù)應(yīng)力錨桿鋼帶強(qiáng)化,錨桿間排距為 0.6m×1.0m,錨桿預(yù)應(yīng)力為 20kN;充填支護(hù)體頂部為水平,并用鋼絲網(wǎng)強(qiáng)化。通過分析對比原支護(hù)方式和強(qiáng)化支護(hù)方式下沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性,可以看出強(qiáng)化支護(hù)方式提高了充填支護(hù)體的強(qiáng)度,減少了充填支護(hù)體的變形量,維持了巷道圍巖穩(wěn)定。

沿空留巷;充填支護(hù)體;FLAC3D;數(shù)值模擬

沿空留巷可以完全取消區(qū)段煤柱,能有效地提高煤炭采出率,還可以降低巷道掘進(jìn)率,因此,與留煤柱護(hù)巷及沿空掘巷相比均具有較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。隨著采深加大及開采條件日益復(fù)雜和惡化,構(gòu)造應(yīng)力、深井、松軟破碎圍巖及采動(dòng)影響等多因素作用下的沿空留巷維護(hù)問題日益嚴(yán)峻,阻礙沿空留巷技術(shù)進(jìn)一步推廣和應(yīng)用[1-6]。

沿空留巷技術(shù)的成功,是巷內(nèi)支護(hù)與巷旁支護(hù)聯(lián)合作用的結(jié)果,國內(nèi)外對沿空留巷巷旁支護(hù)機(jī)理及方法進(jìn)行了深入研究和大量工程實(shí)踐,取得了大量的成果[7-9]?；茨系V業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦、棗莊礦業(yè)集團(tuán)高莊煤礦和新汶礦務(wù)局翟鎮(zhèn)煤礦等,先后在綜采工作面采用混凝土輸送泵和專用充填液壓支架,進(jìn)行了混凝土支護(hù)體機(jī)械化施工的沿空留巷實(shí)驗(yàn)研究,并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

雙鴨山東榮二礦在中一上采區(qū) 18層右五面運(yùn)輸巷實(shí)施沿空留巷。由于其上部 17煤開采殘留有區(qū)段煤柱,使得沿空巷道處于支承高壓區(qū),采用混凝土充填體沿空留巷技術(shù)。數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場觀測都證明:由于處于高支承應(yīng)力區(qū),充填體承受荷載過大,而且充填支護(hù)體強(qiáng)度低,充填支護(hù)體由于垂向壓應(yīng)力超限而內(nèi)鼓,片幫現(xiàn)象嚴(yán)重。所以必須對充填支護(hù)體采取強(qiáng)化支護(hù)措施。為了強(qiáng)化充填支護(hù)體和保持沿空留巷的穩(wěn)定,提出加強(qiáng)支護(hù)體強(qiáng)度和減小充填支護(hù)體荷載 2種強(qiáng)化措施,采用數(shù)值分析軟件 FLAC3D,并對強(qiáng)化措施進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

1 充填支護(hù)體強(qiáng)化支護(hù)

由于沿空留巷處于高支承應(yīng)力區(qū),充填支護(hù)體荷載大且強(qiáng)度低,充填支護(hù)體應(yīng)力超限而發(fā)生破壞,所以必須對充填支護(hù)體采取強(qiáng)化支護(hù)措施。充填支護(hù)體的強(qiáng)化支護(hù)措施包括 2項(xiàng)內(nèi)容:

(1)加強(qiáng)充填支護(hù)體強(qiáng)度 對充填支護(hù)體施加錨桿;對充填支護(hù)體施加鋼帶。在充填支護(hù)體的施工過程中,充填模板內(nèi)布置雙側(cè)鋼帶,并用兩端都有一段螺紋的專用錨桿及螺栓連接兩側(cè)鋼帶,然后澆注混凝土,如圖 1。

圖1 充填支護(hù)體支護(hù)方案

(2)減小充填體承受的載荷 加大巷道內(nèi)單體支柱密度;在充填支護(hù)頂端預(yù)留緩沖層。

充填支護(hù)體強(qiáng)化試驗(yàn)方案:

(1)緩沖層厚度 (mm):100,200,300, 400,500。

(2)單體支護(hù)排距 (m):0.6,0.7,0.8, 1.0。

(3)充填體錨桿排距 (m)0.5,0.6,0.7, 0.8,1.0;間距 (m)0.6,0.8,1.0,1.4。

(4)充填體錨桿預(yù)應(yīng)力 (kN):10,20,30, 40,50。

2 充填支護(hù)體強(qiáng)化支護(hù)方案優(yōu)化

2.1 沿空留巷巷道力學(xué)結(jié)構(gòu)模型

所建立的沿空留巷巷道圍巖力學(xué)模型如圖 2。

圖2 沿空留巷三維計(jì)算模型

三維計(jì)算模型寬 37m×高 45m×厚 5m,傾角13°,寬 ×高為 2.8m×4.2m,充填支護(hù)體 2.8m× 1.7m,三維模型共劃分14520個(gè)單元和 18090個(gè)節(jié)點(diǎn)。

力學(xué)結(jié)構(gòu)模型邊界條件為:模型上部邊界根據(jù)17煤殘留煤柱數(shù)值模擬計(jì)算的成果——巷道頂板處于 17煤殘留煤柱支承壓力區(qū),其垂向壓力 P= 25.2MPa。模型側(cè)面限制水平移動(dòng),模型底面限制垂直移動(dòng)。

煤層采用應(yīng)變軟化模型,巖層均采用摩爾庫倫模型[10-11],巖石力學(xué)參數(shù)如表 1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 充填支護(hù)體強(qiáng)化支護(hù)方案的優(yōu)化及分析

通過改變某項(xiàng)支護(hù)強(qiáng)化參數(shù),而保持其他支護(hù)參數(shù)不變,依照充填支護(hù)體水平位移極值進(jìn)行定量優(yōu)化。

(1)緩沖層厚度 緩沖層厚度為 0.1m時(shí),對充填體影響效果不明顯,充填體水平位移僅減少16.5mm,但到 0.2m時(shí),充填體水平位移減少84.7mm,效果較好。隨著充填層厚度增加,頂板下沉量也隨之加大,不利于頂板的穩(wěn)定,同時(shí),受到沿空留巷密閉條件的制約,結(jié)合現(xiàn)場情況,緩沖層厚度以200mm為宜。

(2)單體支柱支護(hù)排距 隨著單體支柱密度的增加,即排距的減小,充填體水平位移極值不斷減少,基本上呈現(xiàn)線性變化。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際條件,將單體支柱的排距確定為 0.6m。

(3)充填體錨桿排距 隨著錨桿排距的減少,充填支護(hù)體的強(qiáng)度不斷提高,充填體水平位移不斷減小,當(dāng)錨桿排距小于 0.6m后,水平位移變化量不大,僅為5.9mm,所以充填體錨桿排距取0.6m。

(4)充填體錨桿間距 隨著錨桿間距的擴(kuò)大,充填體水平位移逐漸減小,當(dāng)間距為 1.0m時(shí)水平位移極值最小,超過 1.0m后水平位移極值又有所增加,所以充填體錨桿間距取 1.0m。

(5)充填體錨桿預(yù)應(yīng)力 施加錨桿預(yù)應(yīng)力后,水平位移量降低明顯。當(dāng)預(yù)應(yīng)力為 20kN時(shí),水平位移最小,充填體完整性最好,當(dāng)超過 20kN后,充填體頂部由于應(yīng)力過于集中而破壞,充填體水平位移極值反而增加,所以應(yīng)施加 20kN預(yù)應(yīng)力。

2.3 強(qiáng)化支護(hù)方式參數(shù)的確定

通過以上數(shù)值模擬確定充填支護(hù)體強(qiáng)化方式: (1)緩沖層厚度取 200mm。(2)單體支柱排距取 0.6m。

(3)充填體采用雙預(yù)應(yīng)力錨桿鋼帶強(qiáng)化,錨桿排距為 0.6m,間距為 1.0m,預(yù)應(yīng)力為 20kN,鋼帶采用雙水平排列。

(4)充填體頂部傾斜,由于兩端受力不均勻,在采空區(qū)側(cè)水平位移較大,所以設(shè)置充填頂部水平,并用鋼絲網(wǎng)強(qiáng)化。

3 支護(hù)體強(qiáng)化后的圍巖穩(wěn)定性效果對比

對比原支護(hù)方式和強(qiáng)化支護(hù)方式下,沿空留巷巷道圍巖的穩(wěn)定性如表 2。沿空留巷巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果如圖 3和圖 4所示。

圖3 沿空留巷圍巖的垂向應(yīng)力

在原支護(hù)條件下,充填支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度低,由于局部壓力超限,導(dǎo)致充填支護(hù)體變形量過大,片幫嚴(yán)重,頂板下沉量過大,巷道穩(wěn)定性較差。采用優(yōu)化的加強(qiáng)支護(hù)措施,極大提高充填支護(hù)體的強(qiáng)度,同時(shí)減小了充填支護(hù)體承受荷載,充填支護(hù)體變形量降低,承載能力提高,巷道圍巖變形程度小,巷道圍巖穩(wěn)定性較好。

圖4 充填支護(hù)體的垂向應(yīng)力

4 結(jié)論

(1)沿空留巷處于高支承應(yīng)力區(qū),巷旁充填支護(hù)體支承荷載大,支護(hù)強(qiáng)度低,變形量過大,發(fā)生剪切拉伸破壞。針對高支承應(yīng)力區(qū)沿空留巷的特點(diǎn),提出強(qiáng)化支護(hù)措施:對充填支護(hù)體施加錨桿和鋼帶,以加強(qiáng)充填支護(hù)體強(qiáng)度;加大巷道內(nèi)單體支柱密度和在充填支護(hù)頂端設(shè)置預(yù)留變形層,以減少充填體承受載荷。

(2)通過 FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析對加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,制定強(qiáng)化支護(hù)方式:緩沖層厚度取200mm;單體支柱排距取 0.6m;充填體采用雙預(yù)應(yīng)力錨桿鋼帶強(qiáng)化,錨桿排距為 0.6m,間距為1.0m,預(yù)應(yīng)力為 20kN;充填支護(hù)體頂部為水平,并用鋼絲網(wǎng)強(qiáng)化。

(3)通過分析原支護(hù)方式下和強(qiáng)化支護(hù)方式下巷道圍巖的穩(wěn)定性,強(qiáng)化支護(hù)方式極大提高充填支護(hù)體的強(qiáng)度,承載能力提高,變形量減少,巷道圍巖變形程度小,應(yīng)力集中系數(shù)降低,巷道圍巖穩(wěn)定性較好,滿足沿空留巷巷道的穩(wěn)定性要求。

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[3]康紅普.軟巖巷道底鼓的機(jī)理及防治 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993.

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[11]Itasca Consulting Group,Inc..FLAC3D (FastLagrangian Analysis of Continua in Three-dimensions),Version 2.1,Usermanual [Z].FLAC

[責(zé)任編輯:鄒正立]

Numerical Simulation of Strengthen ing Supporting with Stowing Body in Roadway Reta ined along Gob in High Abutment Pressure Zone

L IXue-bin,QU Guang-long,HUANGWan-peng,XIA Fang-qian,LU Kan,WANG Jun

(Mechanics&Architecture Engineering School,China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

According to geological condition and supporting practice,this paper believed that stowing supporting body bore large load but had low strength and damaged due to excessive vertical stress.It put for ward a suggestion of raising stowing body’s strength and reducing load.By numerical simulation with FLAC3D,it obtained following strengthening supporting parameters:buffer layer’s thickness was 200mm,row distance of single prop was 0.6m,stowing body was strengthened by double pre-stress anchored bolt and metal band,row distance of anchored boltwas 0.6m×1.0m,pre-stressof anchored boltwas20kN,top of stowing bodywas horizontal and strengthened bywire mesh.Analysis of surrounding rock’s stability under original supporting and strengthening supporting condition showed that strengthening supporting increased strength of stowing body,reduced its deformation and kept roadway′s stability.

retaining roadway along gob;stowing supporting body;FLAC3D;numerical simulation

TD322.4

A

1006-6225(2010)06-0048-03

2010-04-29

李學(xué)彬 (1981-),男,山東濰坊人,博士研究生,從事工程力學(xué)與采礦工程、巖土工程交叉學(xué)科方面的研究。