康蟬龍， 劇錦茂

（1.山西中鋼煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033400； 2.太原理工大學(xué)， 山西 太原 030024）

1 研究背景

金達(dá)煤業(yè)三采區(qū)新掘巷道大部分位于9號煤采空區(qū)下方，且9號煤采空區(qū)不規(guī)則，與下部煤層之間的間距變化較大[1]，為了保證生產(chǎn)安全[2]，使大巷在保持圍巖穩(wěn)定性的前提下滿足大巷服務(wù)年限的要求[2]，有必要對三采區(qū)大巷的支護技術(shù)進(jìn)行研究，以確定大巷合理的支護參數(shù)[4]，給出巷道圍巖控制技術(shù)[5]，保證巷道正常安全使用[6]，減少支護成本、提高掘進(jìn)速度[7]。

2 三采區(qū)大巷數(shù)值模擬模型的建立

數(shù)值模擬采用FLAC-3D計算軟件，金達(dá)煤業(yè)三采區(qū)運輸和軌道大巷沿11號底板煤層布置，回風(fēng)大巷沿11號煤層頂板布置，三條大巷均為矩形斷面，大巷之間及與工作面之間的保護煤柱寬度為30m。運輸大巷掘進(jìn)斷面尺寸為4 600 mm×2 600 mm；軌道大巷掘進(jìn)斷面尺寸為4 600 mm×2 800 mm；回風(fēng)大巷掘進(jìn)斷面尺寸為3 900 mm×2 800 mm。依據(jù)井田內(nèi)的地質(zhì)鉆孔柱狀，結(jié)合井下實際揭露情況，三采區(qū)大巷頂板主要由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖組成，底板主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、組成。本次數(shù)值模在以上地質(zhì)力學(xué)條件的基礎(chǔ)上，研究三采區(qū)大巷錨固參數(shù)及錨固效果。

根據(jù)工作面的實際開采條件以及建模的要求，設(shè)置模型尺寸為長×寬×高=120 m×100 m×70 m。模型四個側(cè)面為水平固定邊界，底部為固定邊界，模型共劃分215 040個單元，230 265個節(jié)點。模擬時順槽埋藏深度按三采區(qū)11號煤層最大埋深考慮，取280 m。上覆巖層的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。三采區(qū)大巷數(shù)值分析模型見圖1，模型邊界條件示意圖見圖2。

圖1 三采區(qū)三條大巷數(shù)值分析三維模型

圖2 模型邊界條件示意圖

3 模擬過程

在已經(jīng)賦值平衡模型的基礎(chǔ)上，首先模擬9號煤采空之后的煤層頂?shù)装宸€(wěn)定情況，9號煤層開挖完成之后開挖三采區(qū)大巷，開挖的同時按照設(shè)計方案對巷道進(jìn)行支護，開挖完成之后運行至模型平衡。本次數(shù)值模擬研究的對象為大巷圍巖的破壞情況及圍巖穩(wěn)定性，為了更加符合實際條件，提高分析的準(zhǔn)確性，對大巷兩側(cè)10 m和頂?shù)装?0 m的范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密。

大巷支護效果模擬主要是為了研究三采區(qū)大巷圍巖屈服破壞情況、垂直及水平應(yīng)力分布情況、巷道兩幫及頂?shù)装遄冃挝灰魄闆r等，從而驗證支護方案的合理性，為三采區(qū)大巷的支護參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。

4 三采區(qū)大巷數(shù)值模擬方案

三采區(qū)運輸大巷掘進(jìn)斷面尺寸為4 600 mm×2 600 mm；三采區(qū)軌道大巷掘進(jìn)斷面尺寸為4 600×2 800 mm；三采區(qū)回風(fēng)大巷掘進(jìn)斷面尺寸為3 900 mm×2 800 mm。依據(jù)礦方實際情況及理論計算結(jié)果，三采區(qū)運輸、軌道大巷頂板錨索選用Φ17.8 mm×6 300 mm七股鋼絞線錨索；三采區(qū)回風(fēng)大巷頂板選用Φ17.8 mm×5 300 mm七股鋼絞線錨索。因此，模擬過程對于錨索長度不再提其他方案。根據(jù)金達(dá)煤業(yè)三采區(qū)地質(zhì)力學(xué)條件，采用工程類比、理論計算并結(jié)合數(shù)值模擬排除不合理的支護方案，選出符合金達(dá)煤業(yè)三采區(qū)11號煤層地質(zhì)力學(xué)條件的三條大巷最優(yōu)支護方案，具體方案見表1。

表1 大巷錨桿（索）支護參數(shù)模擬方案

5 9號煤采空對三采區(qū)大巷的影響

由前文分析可知，三采區(qū)大巷布置于9號煤采空區(qū)下方，礦井三采區(qū)9號煤層部分采空，受9號煤采動影響和9號煤煤柱的影響，9號煤底板受到破壞。本次數(shù)值模擬對9號煤部分開挖，用于模擬9號煤采空。由模擬結(jié)果可以看出，9號煤前期被不規(guī)則采空，但9號煤底板破壞范圍很小，對下層煤的影響很小，對三采區(qū)大巷的穩(wěn)定性影響較小。

6 三采區(qū)大巷支護效果數(shù)值模擬分析

本次數(shù)值模擬分析三采區(qū)運輸及軌道大巷、回風(fēng)大巷圍巖的塑性分布、應(yīng)力和位移分布情況以及巷道的的穩(wěn)定性。圖3—圖6所示為三采區(qū)大巷使用設(shè)計支護方案時，三條大巷的塑性破壞區(qū)、應(yīng)力分布、位移分布圖，圖中從左至右依次為三采區(qū)回風(fēng)大巷、運輸大巷、軌道大巷。

由圖3可以看出，三條大巷巷道表面的塑性破壞深度都比較小，均小于錨桿的錨固長度，巷道能維持穩(wěn)定。左邊回風(fēng)大巷，由于其沿煤層頂板布置，頂板為完整性比較好的巖層，所以其巷道頂板破壞范圍很小，幾乎沒有發(fā)生塑性破壞；其巷幫破壞范圍在0～0.5 m之間；巷道底板為11號煤層，強度較低，巷道發(fā)生深度約為約1.0 m的塑性破壞。右側(cè)的運輸大巷和軌道大巷兩幫和頂板發(fā)生深度約為0.5 m的塑性破壞。整體來說三條大巷塑性破壞范圍較小，能滿足巷道穩(wěn)定性要求。

由圖4可以看出，左側(cè)回風(fēng)大巷頂板錨桿錨固范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力為8.6 MPa，錨索錨固區(qū)的垂直應(yīng)力為6.1 MPa，巷道的垂直應(yīng)力在巷道頂板和兩幫較為集中，約為9.5 MPa。運輸大巷的垂直應(yīng)力主要集中于巷道頂板，頂板壓力為17.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.9，巷道兩幫錨桿錨固區(qū)內(nèi)應(yīng)力約為9.9 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.7。軌道大巷的兩幫垂直應(yīng)力為10.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.77。圖5所示為三條大巷的垂直位移分布圖。由圖6可以看出，大巷內(nèi)由于錨索的錨固作用，錨固區(qū)內(nèi)的巖層發(fā)生輕微的移動，下沉量為5～8mm，軌道順槽內(nèi)頂板中央的下沉量較大。

圖3 大巷圍巖破壞情況

圖4 大巷垂直應(yīng)力分布情況

圖5 大巷垂直位移情況

圖6 大巷水平位移情況

模型穩(wěn)定時三條大巷的位移量見表2。

表2 巷道圍巖位移計算結(jié)果 mm

7 結(jié)論

通過數(shù)值模擬并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析可知，采用該設(shè)計支護方案時，大巷圍巖整體塑性破壞范圍較小，垂直應(yīng)力主要集中于運輸巷道頂板，應(yīng)力集中系數(shù)為2.9，頂板最大下沉量5～8 mm。三條巷道表面位移量均較小，能滿足巷道的正常使用。