白 杰

（西山煤電集團(tuán)杜兒坪礦， 山西 太原 030022）

隨著我國(guó)的工業(yè)迅猛發(fā)展，能源的消耗也越來(lái)越快。雖然我國(guó)的煤炭資源存量豐富，但隨著我國(guó)使用煤炭的年限不斷增加，我國(guó)煤炭賦存條件較為好的煤層已經(jīng)得到了大幅度的開(kāi)采，剩余的煤炭資源大多賦存條件復(fù)雜，開(kāi)采難度較大。但考慮到煤炭資源的轉(zhuǎn)型工作并沒(méi)有完成，煤炭資源的消耗仍是我國(guó)目前為止使用最多的能源。目前我國(guó)的煤炭開(kāi)采已經(jīng)逐步向著深部煤層前進(jìn)，但隨著深度煤層的開(kāi)采，地應(yīng)力的集中現(xiàn)象也逐步顯現(xiàn)了出來(lái)，深部煤層的地應(yīng)力比淺煤層的地應(yīng)力要大很多，所以如何在深度開(kāi)采的同時(shí)保證巷道的穩(wěn)定性也成為了學(xué)者目前研究的目標(biāo)。陳冰等人[1]對(duì)深度煤層開(kāi)采地質(zhì)資料不充足的問(wèn)題做出了研究，通過(guò)對(duì)礦井上下地質(zhì)的取芯研究對(duì)深度煤層的地質(zhì)條件進(jìn)行測(cè)量，為以后同樣的問(wèn)題解決提供了方法。高新等人[2]為了研究深部煤層的地應(yīng)力過(guò)大造成的沖擊抵押的問(wèn)題，利用數(shù)值模擬對(duì)深部巷道的失穩(wěn)問(wèn)題作出了研究，提出合理布置炮孔的位置進(jìn)行爆破卸壓來(lái)達(dá)到減弱沖擊壓力的作用，卸壓效果較好。肖忠黨等人[3]通過(guò)數(shù)值模擬軟件FLAC-3D 對(duì)深部巷道的支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了最優(yōu)的巷道支護(hù)方案降低了巷道的圍壓，保證了巷道的穩(wěn)定性。王文苗等人[4]通過(guò)模擬軟件對(duì)深度巷道的受力和變形情況做出了模擬，得出了巷道工作面越長(zhǎng)巷道的底鼓跨距越大，且通過(guò)對(duì)比經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證了模擬的合理性。本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)深部巷道的圍巖的支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)比了優(yōu)化的可靠性和優(yōu)越性。

1 巷道模型建立

巷道深部巖層由于所處的地形位置相對(duì)比較復(fù)雜，所以巖石所受到的圍壓應(yīng)力等與淺部巖石受到的圍巖應(yīng)力有著很大的區(qū)別，由于深部巖石的受力較為復(fù)雜且受力較大所以深部的巖石變形也相對(duì)較大，發(fā)生災(zāi)害的幾率也就越高。

巷道深部巖層的變形一般很大且發(fā)生的變形的速度很快，由于深部巷道處在高應(yīng)力集中的地帶，在巷道開(kāi)采的過(guò)程中，由于采動(dòng)的影響巷道的壓力急劇增加，當(dāng)壓力的最大值大于巷道的屈服極限后，巷道開(kāi)始發(fā)生變形，巷道的變形多為塑性變形，變形的范圍內(nèi)會(huì)形成一定的松動(dòng)圈且松動(dòng)圈的范圍一般是一個(gè)半徑為1.5 m 的圓，松動(dòng)圈范圍一般根據(jù)地應(yīng)力的大小來(lái)確定，地應(yīng)力大相應(yīng)的松動(dòng)圈的范圍也就越大，反之亦然。同時(shí)巷道深部巖石的破碎情況在一定程度上也取決于煤層的埋深，埋深越大的煤層受到的地應(yīng)力也就越大，相應(yīng)的巷道變形量也就越大。

巷道在開(kāi)挖的過(guò)程中地應(yīng)力的重新分布會(huì)造成巷道的位移變形，隨著地應(yīng)力的逐步穩(wěn)定后，巷道受到均勻的載荷，隨著時(shí)間的推移，巷道會(huì)發(fā)生蠕變特性，巷道的蠕變是一個(gè)不可逆的過(guò)程，當(dāng)巷道的變形增大到一定的程度后，巷道由于最大位移準(zhǔn)則發(fā)生破壞，造成人員和設(shè)備的損害。巷道的圍巖受到的應(yīng)力計(jì)算公式如下：

式中：p為原巖應(yīng)力；r為巷道的設(shè)計(jì)半徑；λ 為原巖應(yīng)力系數(shù)；a為巷道松動(dòng)圈半徑；θ 為巖石的內(nèi)摩擦角。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和公式的計(jì)算可以得出巷道圍巖受到的應(yīng)力情況，為及時(shí)預(yù)測(cè)巷道的圍巖變形引起的頂板下沉、片幫、底鼓等問(wèn)題提供了方法。

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方式對(duì)巷道圍巖的受力情況和變形情況作出一定的研究，巷道的巖層按照礦上的地質(zhì)依次為砂質(zhì)泥巖12 m，泥巖7.5 m，煤層厚度約為11.5 m，細(xì)砂巖18 m。煤層的埋深約為500 m，煤層的傾角為5°，巷道工作面長(zhǎng)度約為115 m，巷道的實(shí)際寬度為9.8 m。巷道在經(jīng)歷開(kāi)挖的過(guò)程中，巷道會(huì)形成一定的松動(dòng)圈，在松動(dòng)圈的范圍內(nèi)，由于應(yīng)力分布不同，可能發(fā)生大變形。利用FLAC-3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道開(kāi)挖過(guò)程中的巷道圍巖變形情況和受力情況作出一定的研究，模型的網(wǎng)格劃分示意圖如圖1 所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖

如圖1 所示的模型網(wǎng)格示意圖可知，網(wǎng)格本次模擬的模型的高度和寬度都選擇50 m，厚度過(guò)厚對(duì)模擬的速度有著很大的影響且厚度對(duì)模擬的效果影響較小，所以本次模擬選取厚度為5 m，模擬的網(wǎng)格劃分的精確程度對(duì)模型的模擬結(jié)果有著影響，所以本次模擬對(duì)網(wǎng)格劃分十分精細(xì)，共有100 705 個(gè)單元，共計(jì)90 000 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

研究巷道時(shí)忽略所在位置的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，假設(shè)巖石的各項(xiàng)同性，且質(zhì)地均勻和連續(xù)。對(duì)模型的邊界進(jìn)行約束，頂板為自由面可以隨著應(yīng)力的加載而變形。模型建立完成后對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行合理的布置，參數(shù)的合理性在一定程度上影響著模擬的精確性，對(duì)模型各層結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)布置，布置參數(shù)如下表1 所示。

對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)的主要材料為襯砌和U型鋼，倆者的結(jié)構(gòu)參數(shù)彈性模量分別為33 MPa 和5.3 MPa，泊松比為0.17 和0.3，參數(shù)布置完成后，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。

表1 模型巖層的參數(shù)布置表

2 模擬分析研究

計(jì)算的結(jié)果如圖2，圖3 所示。

圖2 巷道圍巖垂直方向應(yīng)力分布云圖

圖3 巷道圍巖垂直方向優(yōu)化支護(hù)應(yīng)力分布云圖

對(duì)比巷道支護(hù)前后的應(yīng)力分布情況。根據(jù)圖2，圖3 可以看出，隨著巷道的開(kāi)挖，巷道的倆側(cè)會(huì)受到很小的拉應(yīng)力作用，而巷道的上下側(cè)會(huì)受到較大的壓應(yīng)力，巷道的上下倆側(cè)受到的應(yīng)力明顯出現(xiàn)集中現(xiàn)象，為了減少巷道的變形量應(yīng)當(dāng)對(duì)巷道的頂板和低板進(jìn)行應(yīng)有的支護(hù)，減少巷道的頂板和底板的應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少倆者的承壓，避免巷道的頂板發(fā)生下沉和底板發(fā)生底鼓現(xiàn)象。巷道的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)性，對(duì)稱(chēng)中心為巷道的中軸線(xiàn)，塑性區(qū)的面積較小，原有的支護(hù)方案下，巷道的垂直方向應(yīng)力分布明顯更大，最大值達(dá)到了51.5 MPa，且應(yīng)力較大的區(qū)域面積明顯更多，巷道頂板的拉應(yīng)力區(qū)域高度達(dá)到了2.5 m，采用新的優(yōu)化支護(hù)方案后，巷道圍巖的變形量減小，巷道的頂板高應(yīng)力分布區(qū)域明顯減少，應(yīng)力的集中區(qū)深度減少到了1.5 m 左右，巷道的承載能力明顯增強(qiáng)，最大的壓應(yīng)力減少到了29 MPa，減少了21.5 MPa。模擬的結(jié)果可以很好的反映出隨著巷道的開(kāi)采影響，巖層強(qiáng)度較弱的泥巖會(huì)出現(xiàn)大變形，為了防止變形過(guò)大而引起的巷道災(zāi)害，及時(shí)的對(duì)巷道危險(xiǎn)部位進(jìn)行卸壓支護(hù)是十分必要的，利用支護(hù)的材料來(lái)承載一部分壓力可以有效地提升巷道的穩(wěn)定性，減少巷道的變形，有效地提升煤礦的安全性和礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

1）根據(jù)模擬結(jié)果可知，垂直方向上的巷道的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在巷道的頂板和底板處，最大的拉應(yīng)力出現(xiàn)在巷道的倆側(cè)區(qū)域。

2）在原有的巷道支護(hù)系統(tǒng)下的最大壓應(yīng)力為51.5 MPa，且巷道的高壓應(yīng)力區(qū)明顯大于優(yōu)化后的支護(hù)系統(tǒng)，巷道的頂板的高應(yīng)力分布區(qū)高度為2.5 m，巷道的變形較大。

3）在對(duì)巷道支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行卸壓支護(hù)后，巷道垂直方向上的最大壓應(yīng)力為23 MPa，較原有的支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)力最大值減少了21.5 MPa，且巷道的高壓應(yīng)力區(qū)較小，巷道的頂板的高應(yīng)力分布區(qū)高度為1.5 m，減少了1 m，巷道的變形較先前的支護(hù)系統(tǒng)明顯減少，支護(hù)的優(yōu)化較為成功。