李學彬，薛華俊，楊仁樹，，王茂源，李濤濤，何天宇

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

煤炭作為自然賦予人類的主要化石能源資源[1]，是我國的主要能源，儲量豐富、分布廣泛，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著極其重要的作用，它是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎。隨著人類對礦產(chǎn)需求量的日益增加，開采規(guī)模不斷擴大，淺部礦產(chǎn)資源日趨枯竭，必然使人類要著眼于深部礦產(chǎn)的開發(fā)。深部開采問題已越來越引起人們的重視。煤礦開采深度和強度的不斷增加，在高地應力、動壓影響、地質(zhì)構(gòu)造、成巖作用及巖體成分等的影響下，一些在淺部開采中的工程災害問題都將在深部開采中以更明顯的方式表現(xiàn)出來，特別是軟巖巷道支護成為主要技術(shù)難題之一[2]。目前國內(nèi)外對軟巖巷道支護沒有很好的治理辦法，絕大多數(shù)是在巷道開挖支護后，隨著圍巖和支護體的變形而進行一次次修復，直至巷道完成服務年限。因此研究如何解決軟巖巷道支護問題，有效控制巷道變形，具有重要的理論意義和實踐價值[3-6]。

本文結(jié)合九龍礦現(xiàn)有軟巖巷道北二正巷地質(zhì)特點和巷道特征，通過FLAC3D程序建立模型，結(jié)合巷道表面位移結(jié)果，對九龍礦北二正巷巷道支護參數(shù)進行調(diào)整，優(yōu)化巷道支護方式，并通過數(shù)值模擬對原有和優(yōu)化的巷道支護方式下巷道圍巖穩(wěn)定性進行分析，證明基于FLAC3D調(diào)整巷道圍巖參數(shù)的可行性，為煤礦巷道支護優(yōu)化提供一種方法。

1 工程概況

九龍煤礦位于河北省邯鄲市，是由冀中能源峰峰集團有限公司管轄的年產(chǎn)120Mt的現(xiàn)代化礦井。九龍煤礦北二正巷埋深近700m，巷道圍巖條件較差，屬于典型的深井軟巖巷道，北二正巷水平位置如圖1所示。北二正巷巷道基本位于2#下煤之中，巷道頂板為細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，底板為堅硬致密的砂質(zhì)泥巖和細粒砂巖，巷道斷面為直墻半圓拱形，寬4500mm，高3850mm。由于巷道圍巖性質(zhì)較差，圍巖變形超過30%，嚴重影響了巷道的正常使用和安全生產(chǎn)[7]。

2 FLAC3D計算模型建立

結(jié)合九龍煤礦北二正巷具體地質(zhì)條件，考慮煤體在變形破壞后，其殘余強度隨著變形的增大而降低的特殊性質(zhì)，其FLAC3D計算模型，煤層采用應變軟化模型，其他巖層均采用莫爾-庫侖模型，尺寸為長46.6m、寬48m、厚15m， 共27168個節(jié)點和24420個單元，模型以北二正巷巷道肩部中心為原點，其上取28m，下取18.6m，左右各取24m，巷道徑深取15m，計算模型如圖2所示，模型參數(shù)設置如表1所示[8]。

圖1 北二正巷試驗巷道位置

圖2 計算模型網(wǎng)格立體圖

表1 模型材料參數(shù)表

3 支護參數(shù)優(yōu)化

3.1 原支護方案

九龍煤礦北二正巷巷道斷面為直墻半圓拱形，寬4500mm，高3850mm，斷面面積為15.1m2，巷道采用U型鋼加錨網(wǎng)噴支護，U36型鋼排距為600mm，錨桿采用長2000mm、直徑20mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距均為600mm，噴層為厚150mm的C20混凝土，巷道原支護結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 優(yōu)化支護方案

3.2.1 錨桿長度優(yōu)化

圖4為FLAC3D模型模擬北二正巷支護錨桿長度增量與圍巖位移量變化關系圖，由圖3可知，錨桿長度變化對頂板位移影響不大，對于煤幫位移影響較大，錨桿長度增加600mm后煤幫圍巖減少25mm，而對于底板當錨桿長度到達2400mm作用才較為明顯。所以對頂板錨桿長度可以維持不變或略有降低，煤幫錨桿和底角錨桿長度應該增大。

3.2.2 底角錨桿角度優(yōu)化

圖5為FLAC3D模型模擬北二正巷支護底角錨桿傾角與圍巖位移變化量關系圖，由圖4可知，巷道底角錨桿對于減少巷道兩幫內(nèi)鼓和底鼓有一定減輕作用，巷道對于底鼓防止在90°效果最好，但是考慮實際施工情況和巷道圍巖整體性，巷道底角錨桿傾角在15°～30°較好。

3.2.3 錨桿預應力優(yōu)化

圖6為FLAC3D模型模擬北二正巷支護錨桿預應力與圍巖位移變化量關系圖，由圖6可知，對巷道錨桿施加預應力對巷道圍巖位移量減少效果明顯。巷道圍巖均有明顯的下降，預應力在2000N時巷道煤幫位移量降低多達2.5mm，在4000N時巷道頂板位移量已不明顯了，而底板和煤幫位移量又小幅度降低，在8000N時即預應力超過錨桿支護材料的承受能力時會起到反效果。所以對巷道頂板錨桿預應力為2000N，對煤幫錨桿預應力為4000N左右，效果會較好。

圖3 北二正巷原支護結(jié)構(gòu)

圖4 錨桿長度增量與圍巖位移量變化關系

圖5 底角錨桿傾角與圍巖位移變化量關系

圖6 錨桿預應力與圍巖位移變化量關系

3.2.4 噴層厚度優(yōu)化

圖7為FLAC3D模型模擬北二正巷噴層厚度增量與圍巖位移變化量關系圖，由圖6可知，噴層厚度對巷道圍巖位移影響比較一致，噴層厚度在150mm以內(nèi)是巷道圍巖位移量變化較小，不足2mm，噴層主要約束圍巖，防止破碎巖體垮落，當?shù)竭_180mm，噴層厚度和剛度均有增加，能有效與錨桿共同作用限制巷道變形，圍巖位移量明顯減小，接近6mm，所以噴層厚度應該大于150mm效果較為明顯。

圖7 噴層厚度增量與圍巖位移變化量關系

3.2.5 錨索數(shù)量優(yōu)化

圖8為FLAC3D模型模擬北二正巷巷道截面的錨索個數(shù)與圍巖位移變化量關系圖，由圖8可知，巷道截面內(nèi)安裝7000mm長的錨索時，當在巷道頂板中心安裝1～2根，頂板下沉量持續(xù)下降，底板和兩幫的位移量不太穩(wěn)定。當巷道中心安裝3根錨索時，頂板持續(xù)下沉，煤幫位移量明顯下降，低估變化不大，所以在巷道中心安裝3根錨索即三等分點分別安裝錨索。

圖8 巷道截面的錨索個數(shù)與圍巖位移變化量關系

3.2.6 優(yōu)化的巷道支護方案

通過以上分析，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗和條件，對九龍煤礦北二正巷巷道支護采取一定優(yōu)化措施。

1) 對于底角錨桿采用L2400×Φ20的等強度右旋螺紋鋼錨桿，錨桿傾角為30°，錨固方式為全長錨固；對于煤幫錨桿采用L2200×Φ20等強度右旋螺紋鋼錨桿，錨固方式為全長錨固，施加4000N的錨桿預應力；對于頂板采用現(xiàn)有的L2000×Φ20等強度右旋螺紋鋼錨桿，施加2000N的錨桿預應力。

2) 噴層對于巷道來說是全斷面支護，當噴層大于150mm時，剛性支護效果極為明顯，所以噴層厚度不小于150mm，采用厚度應為180mm。

3) 在巷道截面內(nèi)在巷道三等分點處安裝3根等分錨索，錨索長度為7000mm，錨索排距為2000mm，間距約為2000mm。優(yōu)化的巷道支護結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 優(yōu)化的巷道支護結(jié)構(gòu)

4 優(yōu)化效果分析

4.1 掘進平衡巷道圍巖位移分析

圖10為FLAC3D模型模擬北二正巷原有和優(yōu)化支護下掘進平衡時圍巖位移圖，由圖10(a)圖可知，在原有支護條件下，巷道開挖平衡后，巷道底板巖體破壞程度最大，深部離層現(xiàn)象明顯，巷道底鼓最為明顯，最大值為0.315m，兩幫內(nèi)鼓次之，約為0.175～0.2m，頂板下沉量小，約為0.075～0.1m。由圖10(b)圖可知，優(yōu)化的巷道支護方式下，巷道開挖平衡后，巷道底板巖體破壞程度減輕，深部離層程度降低，巷道底鼓程度明顯降低，底鼓最大值為0.1197m，兩幫內(nèi)鼓也相應的減少，約為0.10～0.11m，頂板下沉量也減小，約為0.07～0.08m。

4.2 回采平衡巷道圍巖位移分析

圖11為FLAC3D模型模擬北二正巷原有和優(yōu)化支護下回采平衡時圍巖位移圖。由圖11(a)可知，在原支護方式下，到達回采平衡后，巷道底板破壞程度進一步加大，底鼓量增加明顯，底鼓最大值約為0.6m，頂板下沉急劇增加，范圍大，巷道圍巖四周來壓，位移收縮量0.3～0.4m。由圖11(b)可知，在原支護方式下，到達回采平衡后，頂板下沉量有所減少，最大值為0.23m，兩幫位移和底鼓程度相對明顯降低，兩幫位移和底鼓的最大值約為0.2m。

圖10 原有(a)和優(yōu)化(b)支護下掘進平衡時圍巖位移

圖11 原有(a)和優(yōu)化(b)支護下回采平衡時圍巖位移

通過FLAC3D數(shù)值模擬，比較原有支護和優(yōu)化支護掘進和回采平衡時巷道圍巖位移分析，優(yōu)化的巷道支護方式進一步約束圍巖變形，維持巷道圍巖的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對FLAC3D數(shù)值模擬調(diào)整九龍礦北二正巷巷道支護參數(shù)的研究可以得出以下結(jié)論。

1) 巷道頂板、幫部、底角錨桿分別采用長2000mm、2200mm、2400mm的Φ20等強度右旋螺紋鋼錨桿、噴層厚度180mm、錨索長7000mm，間排距2000×2000mm時，為較優(yōu)支護方案。

2) 通過掘進和回采平衡條件巷道圍巖位移分析，優(yōu)化的巷道支護方案，能保證巷道在掘進和回采時巷道圍巖的穩(wěn)定性，將圍巖變形控制在合理范圍內(nèi)，滿足煤礦安全和正常生產(chǎn)要求。

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