【摘要】礦井進(jìn)入深部開采過程中礦山壓力是影響巷道支護(hù)可靠性的主要因素。近幾年來陶二煤礦在深部開采過程中部分采準(zhǔn)巷道開挖后表現(xiàn)出巷道變形量較大，支護(hù)參數(shù)確定困難，2217下巷掘進(jìn)工作面應(yīng)用非線性數(shù)值模擬軟件進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，通過工業(yè)試驗(yàn)，巷道變形量得到有效控制，滿足了安全生產(chǎn)要求。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬；深部支護(hù)；礦壓觀測(cè)

引言

由于地溫與原巖應(yīng)力的增加，導(dǎo)致巖體的流變性增強(qiáng)，從而使深部礦井開采過程中的巷道圍巖在表觀上呈現(xiàn)松軟、破碎的狀態(tài)，巷道開挖后塑性區(qū)域范圍較大，如不采取合理支護(hù)手段及參數(shù)，致使巷道開挖后變形量較大，難以維護(hù)，不能滿足正常生產(chǎn)需要【1】。陶二煤礦自投產(chǎn)至今已開采33年，淺部資源開采已基本接近尾聲，礦井開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，近幾年來在深部開采過程中部分采準(zhǔn)巷道開挖后表現(xiàn)出巷道開挖后變形量較大，巷道支護(hù)困難，追其主要原因?yàn)橄锏乐ёo(hù)大部分情況是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)學(xué)術(shù)界尚未建立起嚴(yán)密的采準(zhǔn)巷道礦壓理論與計(jì)算體系，致使支護(hù)參數(shù)確定困難，近年來，非線性數(shù)值模擬軟件在巷道工程設(shè)計(jì)以及支護(hù)方面起到了重要的指導(dǎo)作用，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)可以較好解決上述困難【2】【3】。

1.工程實(shí)踐

陶二煤礦首采區(qū)2217下巷掘進(jìn)工作面賦存深度為653m-712m，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1030m，巷道原設(shè)計(jì)支護(hù)方式采用錨網(wǎng)梁配合幫頂錨索聯(lián)合支護(hù)，頂幫錨桿間排距為800mm×900mm，頂幫錨索間排距為1800mm×1800mm，巷道自開工以來礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，頂板下沉量及兩幫移近量一直較大，且長(zhǎng)期不趨于穩(wěn)定，巷道開掘兩個(gè)月后兩幫最大移近量為932mm，平均為680mm，頂板下沉量最大為782mm，平均為540mm，因巷道變形量已嚴(yán)重制約著巷道的安全生產(chǎn)。

2.支護(hù)失敗原因分析

針對(duì)原有支護(hù)設(shè)計(jì)失敗進(jìn)行分析，主要有以下幾個(gè)原因：

1.巷道幫、頂支護(hù)強(qiáng)度偏低，錨桿間排距過大.從已掘巷道變形情況看，部分支護(hù)體失效是由于頂、幫在礦山壓力作用下，出現(xiàn)變形、破裂，而錨桿、梁等剛性支護(hù)體間排距過大，導(dǎo)致破碎巖石從強(qiáng)度較低的網(wǎng)間擠出，造成錨桿端部懸空，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)體失效【4】。

2.錨索長(zhǎng)度不足導(dǎo)致巷道位移量偏大，巷道原支護(hù)依據(jù)陶二煤礦淺部開采經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，頂錨索規(guī)格為為Ф20.0×6000mm，幫錨索規(guī)格為Ф17.8×4100mm，因深部巷道塑性圈在高應(yīng)力的作用下相對(duì)淺部巷道明顯增大，巷道開掘后根據(jù)頂板離層儀及巷幫多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，頂板起始變形處位于7.3m處，幫部起始變形處位于5.65m處，造成錨索因巷道變形而整體外移，沒有完全發(fā)揮錨索深部錨固作用。針對(duì)上述查找原因同時(shí)輔助相關(guān)計(jì)算，及時(shí)調(diào)整2217下巷支護(hù)設(shè)計(jì)，調(diào)整后的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：支護(hù)方式采用錨網(wǎng)梁噴支護(hù)，頂錨桿采用Ф22×2400mm的超強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配合4400mm梯子梁和1250×900mm盤條網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨桿間排距為700×700mm，幫錨桿采用Ф18×2650mm的螺紋鋼錨桿配合1600mm、800mm梯子梁和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿間排距為700×700mm，頂錨索選用Ф20×9000mm鋼絞線配合400×400mm的大托盤進(jìn)行支護(hù)，錨索布置為順巷4列，每架兩根，間距均勻布置，幫錨索選用Ф17.8×6100mm鋼絞線配合400×400mm的大托盤進(jìn)行支護(hù)，幫錨索采用順巷2列布置，間距平均布置，排距為1400mm。

3.數(shù)值模擬建立

數(shù)值模擬是一種近似模擬，因?yàn)樘斩旱V的實(shí)際地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，以及巖層彼此夾雜交錯(cuò)，而數(shù)值模擬是在理想的環(huán)境中進(jìn)行分析的，所以在數(shù)值建模時(shí)要盡量與現(xiàn)實(shí)情況吻合，但對(duì)于一些建模比較困難而實(shí)際又影響不大的部分給予取舍，以便于建模分析【5】【6】。整個(gè)模型的計(jì)算范圍是40m（x方向）×40m（y方向）×40m（z方向），巷道和煤層都是16°的向下傾斜角，巷道在2#煤層中，如圖1所示。巷道的幾何尺寸、支護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸及間排距完全與實(shí)際工程一樣。因?yàn)楸緮?shù)值模擬的研究對(duì)象是比較原支護(hù)方案與新支護(hù)方案的優(yōu)劣，頂?shù)装逦灰剖侵匾膮?shù)，所以把直接頂板以上和底板以下的部分，分別用應(yīng)力邊界條件和位移約束邊界調(diào)節(jié)代替。這樣既不影響最終的模擬分析結(jié)果，又能大大減少模擬分析的時(shí)間，煤層和頂?shù)装鍘r層用實(shí)體單元來模擬，本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖模型【7】。

4.數(shù)值模擬分析

1.巷道開挖后頂?shù)装逦灰品治?/p>

巷道施工過程中巷道頂?shù)装逦灰屏康谋O(jiān)測(cè)，對(duì)巷道安全施工非常關(guān)鍵，同時(shí)也是對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)的最直接檢驗(yàn)。因此，對(duì)頂?shù)装遑Q直方向的位移模擬是本次數(shù)值模擬分析一個(gè)重點(diǎn)。垂直位移云圖如圖2～3所示。

從圖2～3對(duì)比可以看出，改進(jìn)后支護(hù)方案對(duì)頂?shù)装逦灰瓶刂菩Ч黠@，頂板位移由原支護(hù)的560mm降低到250mm，底板位移由原支護(hù)的380mm降為180mm。

2.巷道開挖后兩幫位移的對(duì)比分析

在巷道掘進(jìn)過程中巷道兩幫收斂量的監(jiān)測(cè)，對(duì)巷道安全施工也很重要，特別是對(duì)幫錨索的選型及密度最好的檢驗(yàn)。因此，對(duì)巷道兩幫水平方向的位移計(jì)算是本文數(shù)值模擬分析的又一個(gè)重點(diǎn)。水平位移云圖如圖4～5所示。從圖4～5對(duì)比可以看出，現(xiàn)有支護(hù)方案對(duì)兩幫控制效果明顯，原有支護(hù)條件下為680mm，現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)參數(shù)為250mm。綜合比較應(yīng)力位移云圖發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有支護(hù)使得開挖后的頂板位移由原來的560mm減少到250mm，減少了55%。底板位移由原來的380mm減小到180mm，是原支護(hù)底板位移的47.3%。幫部水平位移由原來的680減少到250mm，減少了63%。

5.現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)監(jiān)測(cè)

2013年8月，2217下巷啟用優(yōu)化后支護(hù)方案，巷道建立了位移量觀測(cè)站，通過連續(xù)兩個(gè)月的觀測(cè)，得出如下數(shù)據(jù)：

6.結(jié)論

通過優(yōu)化支護(hù)方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2217下巷60日的頂?shù)装逦灰屏坑稍械?23mm減少到288mm，為原有頂?shù)装逦灰屏康?6.2%，兩幫位移量由原有的785mm減少到275mm，為原有兩幫移近量的35%，同時(shí)巷道自穩(wěn)時(shí)間由原有的開掘后35日提前到現(xiàn)在15日左右，巷道基本滿足生產(chǎn)需要，有力的保證了礦井的正常生產(chǎn)銜接。

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