張明泉 吳吉南 田 多

(1.中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036006;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

煤礦主運大巷道的布置，往往是由煤層的賦存狀態(tài)所決定的，隨著煤礦的兼并與重組的推進，區(qū)域內(nèi)布置間距較小的巷道群的概率大大增加。對于巷道群而言，在圍巖狀況、斷面形狀和尺寸、施工方法、爆破震動等因素的制約下，新巷道的掘進往往會改變鄰近巷道的受力狀態(tài)。鑒于問題的復(fù)雜性，很難采用理論分析的方法對施工擾動效應(yīng)下的巷道群力學(xué)行為進行分析，因此，本文結(jié)合潘家窯礦煤道群的現(xiàn)場實際，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立一系列分析模型，對鄰近巷道開挖影響下圍巖穩(wěn)定性進行了數(shù)值計算與分析研究，相關(guān)結(jié)論可為類似條件下的巷道群圍巖變形控制提供理論參考和技術(shù)借鑒［1，2］。

1 工程概況

為了響應(yīng)山西省煤礦企業(yè)兼并重組的號召，潘家窯礦參照有關(guān)規(guī)定，對本礦開拓系統(tǒng)進行重新設(shè)計，最新設(shè)計為:刷大原有小斷面巷道包括4#煤回風(fēng)大巷和4#煤輔運大巷(兩大巷的凈間距約30 m)，并在兩大巷之間開掘新的主運大巷。主運大巷開掘之后，3條大巷之間的凈間距(保護煤柱寬度)僅有15 m左右，見圖1。在這樣的小煤柱條件下進行刷擴、新掘巷道，在國內(nèi)還未見報道［3～5］。顯然，對巷道的施工和支護設(shè)計都是個挑戰(zhàn)性的課題。

潘家窯4#煤層，賦存結(jié)構(gòu)簡單，一般含有夾矸2～4層，井田南部分叉為4－1、4－2煤層，局部或全層風(fēng)氧化，全井田分布為穩(wěn)定可采煤層。煤厚3.76～15.20m，平均為8.76m。巷道頂板巖層為:上部為中細(xì)砂巖與深灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖互層，中夾藍(lán)灰色泥巖及耐火粘土礦層，底部為灰白色中粗砂巖，粒度向下變粗，有時含礫為K3標(biāo)志層，有時含有1～3層不穩(wěn)定薄煤層。直接頂中粗砂巖的單軸抗壓強度取為35 MPa，直接底為泥巖的單軸抗壓強度為20 MPa，4#煤層抗壓強度按照礦區(qū)相關(guān)報告取為5.8 MPa。巷道斷面形狀設(shè)計為矩形，巷道圍巖力學(xué)參數(shù)詳見表1。

圖1 刷擴、新掘巷道示意圖

表1 計算斷面地質(zhì)參數(shù)表

2 FLAC3D數(shù)值計算模型

對刷擴和新掘煤巷進行數(shù)值模擬并計算其穩(wěn)定性，主要是刷大現(xiàn)有小斷面巷道(原4#煤膠帶大巷刷大為4#煤輔運大巷、原4#煤輔運回風(fēng)大巷刷大為4#煤回風(fēng)大巷)的影響，以及新掘4#煤主運大巷對兩邊既有的新刷大的4#煤輔運大巷和4#煤回風(fēng)大巷造成的影響。

幾種可能的工況為:①工況1—回風(fēng)大巷沿頂板，輔運大巷沿頂板;②工況2—回風(fēng)大巷沿頂板，輔運大巷沿底板;③工況3—回風(fēng)大巷沿頂板，輔運大巷沿底板，主運大巷沿頂板;④工況4—回風(fēng)大巷沿頂板，輔運大巷沿底板，主運大巷沿底板;⑤工況5—回風(fēng)大巷沿頂板，輔運大巷沿頂板，主運大巷沿頂板;⑥工況6—回風(fēng)大巷沿頂板，輔運大巷沿頂板，主運大巷沿底板。

模型水平尺寸為:長×寬×高=82 m×30 m×117 m。巖體和煤層采用Mohr－Coulomb模型;錨桿和錨索采用cable單元。支護結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表2。計算模型共計16100個單元，18612個網(wǎng)格點。

計算中的所有邊界均為位移邊界條件，其中模型上表面為自由邊界，下表面方向為z方向位移固定，左右邊界為 x、y 方向位移鉸支［6，7］。巷道模型采用一次全斷面開挖，根據(jù)擬建巷道的不同設(shè)計位置，分別對六種工況進行模擬計算，從位移、錨桿受力、垂直應(yīng)力、塑性破壞等進行分析。

表2 支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

3 計算結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖位移分析

開挖主運大巷前，工況一的輔運大巷頂板最大下沉為40.2mm，底板最大隆起為126.7mm;工況二的輔運大巷頂板最大下沉141.4 mm，底板最大隆起為111 mm，且其左右兩幫最大位移為42.2 mm。

開挖主運大巷后，巷道沿頂板的工況下，巷道頂板最大下沉49.8 mm;其中工況五的輔運大巷底板最大隆起為126.2 mm;工況四的主運大巷兩幫最大位移為43.8 mm。綜合來看，工況五的回風(fēng)大巷、輔運大巷的頂?shù)装逦灰戚^大，可見開挖中間主運大巷之后對兩邊巷道頂?shù)装逦灰朴绊戄^大。計算位移數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 監(jiān)測位移數(shù)據(jù)對比

3.2 錨桿、錨索受力分析

由于各巷道頂板均有錨索承擔(dān)較大應(yīng)力，因此各巷道錨桿最大軸力均出現(xiàn)在兩幫的錨桿上。在各巷道的兩幫錨桿中，存在最大應(yīng)力的錨桿往往出現(xiàn)在頂角處。開挖中間主運大巷之前，錨桿的最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況2回風(fēng)大巷的左幫最下一根，最大應(yīng)力為12.71t;開挖中間主運大巷之后，各巷道錨桿應(yīng)力相應(yīng)變小，最大錨桿應(yīng)力出現(xiàn)在工況6主運大巷左幫上數(shù)第二根，最大應(yīng)力為11.92t。具體見圖2。

頂板中間錨索的應(yīng)力值較大的有:(1)工況2為7.31t，出現(xiàn)在輔運大巷(右邊巷道)，見圖2;(2)工況3為4.395 MPa，出現(xiàn)在輔運大巷;(3)工況4為11.58t，出現(xiàn)在主運大巷(新掘主運大巷)。

兩幫錨索的應(yīng)力值較大的有:(1)工況1為29.5 t，出現(xiàn)在回風(fēng)大巷(左邊巷道);(2)工況2為30.37 t，出現(xiàn)在回風(fēng)大巷;(3)工況5為20.89 t，出現(xiàn)在回風(fēng)大巷;(4)工況6為21.03 t，出現(xiàn)在回風(fēng)大巷。由此可見，錨索應(yīng)力較大的情況集中在工況二中的回風(fēng)大巷。開挖主運大巷之后，左輔運大巷的錨索應(yīng)力相應(yīng)變小。因此工況2、工況3和工況4的錨桿受力較大，工況5和工況6錨桿錨索受力較小的三條巷道錨桿錨索受力狀況較好，錨桿最大受力狀圖如表4。

圖2 錨桿應(yīng)力圖

表5 各大巷最危險斷面的錨桿最大應(yīng)力(t)

3.3 SZZ垂直應(yīng)力分析

未開挖主運大巷時，在工況1的最大垂直壓應(yīng)力都出現(xiàn)在各巷道兩幫附近，最大為6.4 MPa。

開挖主運大巷之后，(1)最大垂直壓應(yīng)力都出現(xiàn)在各巷道兩幫附近，工況4最大垂直壓應(yīng)力為7.1 MPa，出現(xiàn)在的主運大巷左幫;見圖3。開挖主運大巷后，兩幫附近的垂直壓應(yīng)力相應(yīng)增大。主運大巷的開挖對兩邊巷道的兩幫附近應(yīng)力有一定的影響，垂直應(yīng)力的增幅在10%左右。

3.4 塑性區(qū)分析

從前5個工況的塑性區(qū)分析來看，各巷道兩幫的剪切破壞比較嚴(yán)重，剪切破壞也主要集中在巷道兩幫。底板附近，尤其是底板中間部位存在拉伸破壞，拉伸破壞的范圍在0.8～1.2 m左右。在巷道沿底板的工況下，頂板中間附近存在拉伸破壞，范圍在1.2～1.3 m左右。

與其他工況相比，工況6的塑性區(qū)呈現(xiàn)出最不利的情況，見圖4?；仫L(fēng)大巷兩幫、主運大巷兩幫、輔運大巷兩幫的剪切破壞比較嚴(yán)重;回風(fēng)大巷底板和主運大巷頂板存在剪切破壞和拉伸破壞，輔運大巷底板拉伸破壞比較嚴(yán)重，范圍都在1.32 m左右，其中輔運大巷底板中間拉伸破壞范圍較大，在2.7 m左右。因此應(yīng)淘汰方案6。

圖3 工況6的SZZ垂直應(yīng)力分布

圖4 工況6的塑性區(qū)分布

4 結(jié)論

1)由位移分析可知，開挖主運大巷之前，先期刷擴的巷道的底板最大隆起為126.7 mm，頂板最大下沉為141.4mm，兩幫位移最大為42.2mm;開挖主運大巷之后，先期刷擴的巷道的底板最大隆起為125.5 mm，頂板最大下沉為152 mm，兩幫位移最大為43.8 mm。

2)由錨桿受力分析可得，開挖主運大巷之前，左右兩側(cè)巷道的錨索應(yīng)力較大，達(dá)到30t左右，開挖主運大巷之后，左右兩巷道的錨索應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度減小的現(xiàn)象，其中工況5的錨桿受力狀況較好。

3)SZZ垂直應(yīng)力分布分析可看出，主運大巷開挖前和開挖后，垂直應(yīng)力分量差別不大，壓應(yīng)力主要集中在主運大巷的兩幫。巷道的塑性區(qū)分析可知工況6的圍巖狀況惡化，綜合考慮選擇工況5，即回風(fēng)大巷沿頂板，輔運大巷沿頂板，主運大巷沿頂板。

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