呂繼民段江維喬衛(wèi)國林登閣程少北

(1.寶鋼集團(tuán)有限公司,上海市虹口區(qū),200080; 2.冀中能源峰峰集團(tuán)九龍煤礦,河北省邯鄲市,056500; 3.山東科技大學(xué),山東省青島市,266590)

千米深井底板支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及數(shù)值模擬研究

呂繼民1段江維2喬衛(wèi)國3林登閣3程少北3

(1.寶鋼集團(tuán)有限公司,上海市虹口區(qū),200080; 2.冀中能源峰峰集團(tuán)九龍煤礦,河北省邯鄲市,056500; 3.山東科技大學(xué),山東省青島市,266590)

針對冀中能源峰峰集團(tuán)磁西一號礦井副井馬頭門工程地質(zhì)條件,借助有限差分軟件FLAC3D對底板錨索束支護(hù)長度進(jìn)行了數(shù)值模擬;通過比較不同長度錨索束支護(hù)下巷道底板圍巖塑性區(qū)分布和底鼓量,實(shí)現(xiàn)了底板錨索束支護(hù)的參數(shù)優(yōu)化;現(xiàn)場工程實(shí)踐證明,優(yōu)化后的錨索束支護(hù)參數(shù)不僅具有較好的成本優(yōu)勢,還可以有效控制底板塑性區(qū)向深部發(fā)展,抑制底鼓變形。

千米深井 巷道支護(hù) 底板支護(hù) 錨索束 參數(shù)優(yōu)化 數(shù)值模擬

1 工程概況

冀中能源峰峰集團(tuán)磁西一號礦井位于河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)東部,行政區(qū)劃隸屬磁縣和峰峰礦區(qū)管轄。磁西一號礦井設(shè)計(jì)產(chǎn)能為1.8 Mt/a,礦井采用立井開拓方式,設(shè)主井、副井及風(fēng)井3口井筒。副井井筒的凈直徑為8.0 m,埋深超千米。副井和風(fēng)井位于同一工業(yè)場地,距離主井工業(yè)場地2.8 km。副井馬頭門開口處凈寬7 m,凈高6 m,進(jìn)車方向長度57 m,距井筒10 m左右設(shè)有液壓站室2個(gè),對稱布置,30 m左右設(shè)有拉緊裝置硐室。副井馬頭門開口處掘進(jìn)寬度8.2 m,掘進(jìn)高度6.6 m,搖臺位置可高達(dá)9 m。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為太原組和山西組,含煤地層總厚度平均為183.49 m,共含煤13～18層,煤層平均總厚17.39 m。

2 深井馬頭門穩(wěn)定性分析

2.1 深井圍巖穩(wěn)定影響因素

影響深井馬頭門巷道變形的因素很多,如圍巖巖石物理力學(xué)特性、礦物組成、巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造、溫度、水等。而支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工工藝及質(zhì)量等也是影響巷道穩(wěn)定的因素。磁西一號井副井馬頭門巷道圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素包括深部構(gòu)造應(yīng)力、地下水、高地溫等。

(1)構(gòu)造應(yīng)力的影響。磁西一號井副井馬頭門巷道圍巖處于垂直應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、動(dòng)壓等相互構(gòu)成的復(fù)雜的應(yīng)力場中。隨著開采深度的增加,巷道圍巖受到上覆巖層的自重應(yīng)力也越來越大,深部軟巖本身的承載能力較差,一旦巷道支護(hù)體系破壞失效,巷道變形急劇加速;在地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū),殘余構(gòu)造應(yīng)力更大,水平應(yīng)力往往大于垂直應(yīng)力,形成高水平地應(yīng)力,這些都增加了副井馬頭門巷道地壓顯現(xiàn)及圍巖破壞的劇烈程度,給圍巖穩(wěn)定性控制帶來了很大的困難。

副井馬頭門位于斷層CF16和斷層CF17形成的地塹中部,受兩大斷層構(gòu)造影響,深部圍巖的破壞速度更快、破壞程度更為嚴(yán)重、破壞區(qū)域更大,加大了深部馬頭門巷道的支護(hù)難度。

(2)地下水對巖體穩(wěn)定性影響。磁西一號井是一座富水礦井,水對馬頭門附近巖體及支護(hù)穩(wěn)定性的影響是非常明顯的。研究證明,含水量對沉積巖強(qiáng)度和變形特性的影響十分顯著,對于泥巖和石英砂巖,從干燥到飽和,單軸抗壓強(qiáng)度有50%的損失。另外,深井軟巖遇水發(fā)生膨脹變形,由此產(chǎn)生的膨脹性變形壓力是軟巖巷道支護(hù)破壞的重要原因。

(3)溫度應(yīng)力的影響。磁西一號井副井埋深1340 m,深部地溫達(dá)到30～50℃。巖體在此種超出常溫的環(huán)境下,往往會出現(xiàn)大的位移和變形,還具有明顯的流變特征,溫度在其中起著重要的作用。溫度每變化1℃可以產(chǎn)生0.4～0.5 MPa的地應(yīng)力變化,溫度升高所產(chǎn)生的地應(yīng)力變化對巖體的力學(xué)性質(zhì)將產(chǎn)生較大影響。

目前,國內(nèi)支護(hù)理念尚停留在傳統(tǒng)支護(hù)理論上,未能形成新的支護(hù)理論。巷道底板處于敞開狀態(tài),不重視加強(qiáng)巷道底板支護(hù),支護(hù)材料選擇不恰當(dāng)也是很多深井巷道破壞的主要原因。

2.2 深井圍巖彈塑性變形

深井圍巖處于三向壓縮狀態(tài),隨著巷道的開挖卸載,圍巖由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)閮上蚴芰?圍巖應(yīng)力重分布,二次應(yīng)力增加到一定值時(shí),圍巖將產(chǎn)生彈塑性變形?；谀獱?庫侖(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則,結(jié)合深井巖體力學(xué)彈塑性基本理論,可求解出軸對稱圓形巷道洞壁位移:

式中:ur——巷道洞壁徑向位移;

μ——泊松比;

E——彈性模量;

c——粘聚力;

φ——內(nèi)摩擦角;

P0——圍巖初始應(yīng)力,其值為γH;

γ——圍巖重度;

H——埋深;

P1——支護(hù)抗力;

R0——巷道等效圓半徑;

RP——塑性區(qū)半徑。

分析上述兩式可以看出,巷道圍巖支護(hù)抗力受周邊位移的影響,而支護(hù)抗力主要通過錨桿錨索(束)等支護(hù)結(jié)構(gòu)提供;隨著圍巖的不斷變形,圍巖集聚的部分彈性能得以釋放,支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的抗力相應(yīng)減小;錨桿錨索(束)等支護(hù)結(jié)構(gòu)可以限制圍巖的變形,防止圍巖體完全破裂,實(shí)現(xiàn)了圍巖與支護(hù)體共同承載。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控測量,可以實(shí)現(xiàn)對支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

模型巖層劃分與巷道所處的實(shí)際巖層相一致,各巖層為均質(zhì)、各向同性。為消除邊界效應(yīng),建立模擬區(qū)域的范圍為50 m×50 m×40 m,共有96400個(gè)單元和108405個(gè)節(jié)點(diǎn);模型側(cè)面限制水平移動(dòng),模型下部為x、y、z三方向鉸支,固定不動(dòng);在模型上表面施加33.8 MPa的垂直應(yīng)力,模擬上覆巖層的自重。數(shù)值模擬參數(shù)見表1。

模擬方案為頂幫支護(hù)參數(shù)及底板錨桿參數(shù)固定,頂幫錨桿采用規(guī)格?22 mm×2400 mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿,間排距700 mm×700 mm;錨索采用規(guī)格?22 mm×10000 mm高強(qiáng)錨索,間排距1400 mm×1400 mm;注漿錨桿規(guī)格為?20 mm×2200 mm,間排距1400 mm×1400 mm;底板錨桿采用規(guī)格為?22 mm×2400 mm的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿,間排距為700mm×700 mm;底板注漿錨桿規(guī)格為?20 mm×1600 mm,間排距1400 mm×1400 mm。分別模擬錨索束長度為8 m、9 m、10 m、11 m、12 m時(shí)對底板底鼓的支護(hù)效果,以確定錨索束的最佳支護(hù)長度。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果分析

為更好反映工程實(shí)際情況,本模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)參數(shù)賦值均嚴(yán)格按照實(shí)際數(shù)值選擇。模擬分析比較了不同錨索束長度下圍巖塑性區(qū)分布情況,并在底板中點(diǎn)處設(shè)立監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測巷道底鼓變形情況,開挖不支護(hù)情況及錨索束長度分別為10 m、12 m時(shí)的圍巖塑性區(qū)分布如圖1所示,不同錨索束長度時(shí)底鼓量監(jiān)測曲線如圖2所示。

圖1 不同工況下圍巖塑性區(qū)分布圖

圖2 不同錨索束長度時(shí)底鼓量監(jiān)測曲線

由圖1和圖2可知,錨索束長度為10 m、 12 m的條件下,巷道底鼓量分別為38.5 mm、24.3 mm,與不支護(hù)情況下的底鼓量879.3 mm相比,降低幅度分別為96.0%、97.2%。模擬結(jié)果表明,錨索束能有效控制底板圍巖塑性區(qū)的發(fā)展,抑制底鼓變形。當(dāng)錨索束長度從10 m增大到12 m時(shí),底鼓量和圍巖塑性區(qū)分部范圍減小幅度不太明顯,從安全經(jīng)濟(jì)考慮,確定底板錨索束最佳支護(hù)長度為10 m。

4 底板優(yōu)化支護(hù)方案

通過數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),并借鑒國內(nèi)外其它深井馬頭門支護(hù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),馬頭門初步設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索噴一次支護(hù),鋼筋砼砌碹二次支護(hù),底板采用錨索束加強(qiáng)支護(hù)。馬頭門巷道斷面(距離井筒中心線7.134 m)優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示,兩幫支護(hù)結(jié)構(gòu)對稱布置。

(1)頂幫支護(hù)。頂幫錨桿采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿,設(shè)計(jì)錨固力150 t,預(yù)應(yīng)力5 t,樹脂錨桿之間采用?20 mm鋼筋梯連接;注漿錨桿與樹脂錨桿隔排插空布置(根據(jù)礦壓觀測情況確定錨注時(shí)間)。頂幫錨索設(shè)計(jì)錨固力35 t,預(yù)應(yīng)力20 t,錨索之間采用GDⅡ140/20T型鋼帶連接。頂幫錨桿、錨索和底板錨桿規(guī)格見3.1節(jié)。

(2)采用C20噴射混凝土,噴射厚度為150 mm。

(3)金屬網(wǎng)采用?6.5 mm鋼筋編制而成的鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)規(guī)格為100 mm×100 mm。

(4)底板支護(hù)參數(shù)。底板錨桿采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿,以GDⅡ140/20T型鋼帶連成整體;底板注漿錨桿與樹脂錨桿隔排插空布置成梅花型。底板錨索束考慮到底板錨索施工可行性,采用底板大孔徑錨索束防止底鼓。錨索束由3根?22 mm× 10000 mm高強(qiáng)鋼絞線組合而成,每斷面2根錨索束,間排距2800 mm×2800 mm。錨索束設(shè)計(jì)錨固力105 t,每根鋼絞線預(yù)應(yīng)力20 t,總預(yù)應(yīng)力60 t。錨索束之間放置2根9＃礦用工字鋼焊接鋼梁。錨索束外徑60 mm,錨索孔直徑90 mm。采用普通水泥漿液注漿,注漿壓力1.5 MPa,終壓2.5 MPa。

圖3 馬頭門斷面巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

5 現(xiàn)場監(jiān)測

為驗(yàn)證優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果,在馬頭門附近試驗(yàn)段巷道共設(shè)置了3個(gè)監(jiān)測斷面,測點(diǎn)布置在巷道底板中央位置,累計(jì)監(jiān)測4個(gè)月后底鼓變形基本穩(wěn)定,監(jiān)測曲線見圖4。

圖4 馬頭門巷道底板平均底鼓量監(jiān)測曲線

圖4顯示底板在支護(hù)后的20 d內(nèi)變形較快, 20～70 d底鼓變形速率減緩;累計(jì)監(jiān)測120 d后,底板底鼓變形趨于穩(wěn)定,累計(jì)底鼓量為19.5 mm,在合理的變形范圍內(nèi)。通過現(xiàn)場觀測,馬頭門巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài),無明顯裂縫產(chǎn)生,優(yōu)化參數(shù)達(dá)到了預(yù)期的支護(hù)效果。

6 結(jié)論

借鑒國內(nèi)外其他深井馬頭門的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通過FLAC3D數(shù)值模擬對千米深井底板支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。工程實(shí)踐證明優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效控制底板塑性區(qū)向深部發(fā)展,抑制底鼓變形,維護(hù)副井馬頭門巷道圍巖的穩(wěn)定性;優(yōu)化后的錨索束支護(hù)參數(shù)具有較好的成本優(yōu)勢,不僅節(jié)省材料自身成本,而且減少鉆孔和注漿成本。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Research on optimization and numerical simulation of floor support parameters of kilometer deep shaft

Lv Jimin1,Duan Jiangwei2,Qiao Weiguo3,Lin Dengge3,Cheng Shaobei3
(1.Baosteel Group Co.,Ltd.,Hongkou,Shanghai 200080,China; 2.Jiulong Coal Mine of Jizhong Energy Fengfeng Group Co.,Ltd.,Handan,Hebei 056500,China; 3.Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,266590,China)

According to the engineering geological condition of the auxiliary shaft horsehead door in Cixi No.1 mine of Jizhong Energy Fengfeng Group,a numerical simulation was conducted by the finite difference software of FLAC3D for the length of anchor cable ties.By comparing the plastic zone distribution and floor heave amount under conditions of different length of anchor cable ties,support parameters of anchor cable ties were optimized.The field engineering practice had proved that the optimized support parameters not only had better cost advantage,but also effectively controlled the floor plastic zone developing to deep rock and restrained the floor heave.

kilometer deep shaft,roadway support,floor support,anchor cable ties,parameters optimization,numerical simulation

TD 353

A

呂繼民(1963－),男,高級工程師,曾長期從事煤礦設(shè)計(jì)研究工作,現(xiàn)為寶鋼集團(tuán)有限公司總經(jīng)理。