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        門克慶煤礦3-1回風(fēng)大巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

        2020-12-14 09:21:25胡中華張茜孫浩
        理論與創(chuàng)新 2020年19期
        關(guān)鍵詞:側(cè)壓系數(shù)

        胡中華 張茜 孫浩

        【摘? 要】針對門克慶煤礦3-1回風(fēng)大巷存在的片幫問題,通過現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬分析了巷道圍巖的破壞特征與圍巖塑性區(qū)分布特征。結(jié)果表明:隨著側(cè)壓系數(shù)的增大,巷道兩幫圍巖塑性區(qū)范圍變化不大,頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍逐漸增大,巷道幫部最大破壞深度1.5m,頂?shù)装迤茐妮^小,破壞形態(tài)類似于不規(guī)則的橫(臥)橢圓形,根據(jù)巷道圍巖塑形區(qū)分布特征,通過理論分析,對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,減少了巷道支護(hù)成本。工程試驗表明:巷道頂板位移主要發(fā)生在頂板上方0-2m,最大位移8.5mm;幫部最大位移發(fā)生在0-1m,最大位移9.5mm,巷道能夠保持穩(wěn)定。

        【關(guān)鍵詞】圍巖塑性區(qū)分布特征;側(cè)壓系數(shù);支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

        引言

        門克慶煤礦3-1煤埋深700m,3-1煤回風(fēng)大巷在掘進(jìn)過程中,存在嚴(yán)重的片幫問題而巷道頂板較完整,在原有大巷支護(hù)參數(shù)對巷道的掘進(jìn)速度造成影響,且在礦井初始階段未進(jìn)行地應(yīng)力測試,巷道圍巖應(yīng)力不能明確,因此,需要研究3-1煤回風(fēng)大巷不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征,對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

        許多專家學(xué)者對巷道圍巖變形破壞及巷道支護(hù)方面做了大量研究,文獻(xiàn)[1]通過對矩形巷道頂板不同位置處應(yīng)力分布規(guī)律的分析,得出了錨桿長度選取影響因素及其主次關(guān)系;文獻(xiàn)[2]在巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計中將模糊數(shù)學(xué)和可拓學(xué)相結(jié)合,建立了巷道支護(hù)效果模糊可拓綜合評價模型;文獻(xiàn)[3]從巷道圍巖塑性區(qū)形成和發(fā)展的過程,研究了大變形回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理和控制原理與方法;文獻(xiàn)[4]通過現(xiàn)場實測與理論分析相結(jié)合,研究了含水圍巖巷道頂板變形特征,闡述了分層控頂?shù)膰鷰r控制思路;文獻(xiàn)[5-8]針對具體礦井的地質(zhì)條件,分析了巷道圍巖變形破壞特征,并對巷道圍巖提出針對性的控制措施?;谇叭说难芯砍晒?,分析門克慶煤礦圍巖變形特征及非等壓應(yīng)力條件下圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律,對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在保證巷道圍巖變形在可控范圍內(nèi)減少巷道的支護(hù)強(qiáng)度,增加巷道的掘進(jìn)速度,可為類似條件下的巷道圍巖控制提供技術(shù)支持。

        1.工程概況

        門克慶煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗、伊金霍洛旗境內(nèi),井田面積約94.95km2。其中3-1煤回風(fēng)大巷位于一號回風(fēng)立井井筒正東方向,大巷西部為3-1煤帶式輸送機(jī)大巷和3-1煤輔助運輸大巷,大巷之間煤柱寬度為40m。巷道布置圖如圖1所示。大巷布置在3-1煤層中,頂板巖性以中粒砂巖、粉砂巖為主,其次為砂質(zhì)泥巖;底板巖性多為中粒砂巖、粉砂巖以及細(xì)砂巖,其次為砂質(zhì)泥巖。大巷斷面形狀為拱形,巷道寬高5240mm,拱高2620mm,墻高1600mm。采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù),錨桿索支護(hù)參數(shù)為:Φ20×2250mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距800mm×800mm;Φ17.8×8300mm錨索,間排距2400mm×2400mm。

        2.大巷圍巖破壞特征

        3-1回風(fēng)大巷在掘進(jìn)過程中頂板基本完好,煤幫出現(xiàn)嚴(yán)重片幫問題,為了對3-1回風(fēng)大巷破壞狀況有更為直觀的認(rèn)識,對巷道圍巖的破壞情況進(jìn)行了現(xiàn)場實時監(jiān)測和破壞形態(tài)的描述。根據(jù)現(xiàn)場觀測情況,繪出了3-1回風(fēng)大巷的圍巖破壞斷面素描圖,如圖2所示。通過現(xiàn)場監(jiān)測,可以看出:3-1回風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面處頂?shù)装鍫顩r較好,基本沒有出現(xiàn)破壞,完整性好;巷道片幫比較嚴(yán)重,尤其是直墻段中部位置的片幫深度達(dá)到0.5~0.8m,破壞形態(tài)整體類似于不規(guī)則的橫(臥)橢圓形,且片幫破壞主要發(fā)生在開挖后到支護(hù)前這段時間內(nèi),破壞發(fā)生的比較劇烈。

        3.大巷圍巖塑性區(qū)分布特征

        根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可知,巷道圍巖塑性區(qū)分布與圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度以及巷道尺寸有關(guān)。巷道未開挖前的圍巖應(yīng)力主要是原巖應(yīng)力,原巖應(yīng)力中垂直應(yīng)力σv可按照上覆巖層載荷估算,水平應(yīng)力σh=λσv,λ為側(cè)壓系數(shù),因此,側(cè)壓系數(shù)不同,巷道圍巖塑性區(qū)也不相同。結(jié)合巷道圍巖破壞理論,利用FLAC3D數(shù)值模擬方法對門克慶3-1煤回風(fēng)大巷開挖后圍巖的塑性區(qū)進(jìn)行計算分析,分析大巷塑性區(qū)分布特征以及側(cè)壓系數(shù)對巷道圍巖塑性區(qū)分布的影響規(guī)律。

        以門克慶3-1煤回風(fēng)大巷為計算模型,埋深700m,煤厚約4.6m。頂板依次為中粒砂巖,厚度約24m;細(xì)粒砂巖,厚度約15m。底板依次為粉砂巖,厚度約15m;細(xì)粒砂巖,厚度約9m;粉砂巖,厚度約11m。采用摩爾-庫倫模型,各巖層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        邊界條件:四周鉸支,底部固支,上部為自由邊界。采用數(shù)值模擬分析門克慶3-1煤回風(fēng)大巷掘進(jìn)開挖后巷道兩幫塑性區(qū)破壞規(guī)律,為巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。由于門克慶煤礦沒有進(jìn)行地應(yīng)力測試,因此取垂直應(yīng)力σv為巷道頂板上覆巖層載荷,取值17.5MPa(按埋深700m計算),水平應(yīng)力σh=λσv,λ為側(cè)壓系數(shù),分別取值1.1、1.3、1.5進(jìn)行計算。

        由圖3可知,在門克慶煤礦的工程地質(zhì)條件下,3-1回風(fēng)大巷塑性破壞主要發(fā)生在幫部,頂?shù)装鍑鷰r不發(fā)生塑性破壞或塑性破壞范圍小。不同側(cè)壓系數(shù)下,幫部圍巖塑性區(qū)范圍變化較小,巷道拱形肩部破壞最大達(dá)到1.5m,兩幫破壞深度在0.5~0.8m。不同側(cè)壓系數(shù)對巷道頂?shù)装逅苄螀^(qū)分布影響較大,側(cè)壓系數(shù)為1.1時,巷道頂?shù)装鍑鷰r幾乎不發(fā)生塑性破壞,巷道底板最大破壞深度約為0.2m;側(cè)壓系數(shù)為1.3時,巷道底板破壞深度約為0.4m,側(cè)壓系數(shù)為1.5時,巷道底板破壞深度約為0.7m。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大,巷道兩幫的塑性區(qū)范圍并沒有發(fā)生明顯的變化,巷道頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)范圍稍稍變大。即側(cè)壓系數(shù)越大,巷道頂?shù)装迤茐脑絿?yán)重,并且巷道底板破壞范圍的增長速度較頂板的更為顯著,兩幫破壞范圍沒有明顯的變化。

        由以上分析可知,在門克慶煤礦3-1煤回風(fēng)大巷圍巖強(qiáng)度及巷道尺寸條件下,隨著側(cè)壓系數(shù)的增大,巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍增大,且巷道底板塑性區(qū)范圍的增長較頂板更為顯著,測壓系數(shù)對巷道兩幫塑性區(qū)范圍變化影響較小。

        由于門克慶礦在初始階段沒有進(jìn)行相應(yīng)的地應(yīng)力測試,3-1煤回風(fēng)大巷圍巖側(cè)壓系數(shù)未知,對比現(xiàn)場監(jiān)測所得巷道圍巖破壞特征,與測壓系數(shù)為1.5時的數(shù)值模擬圍巖塑性區(qū)分布接近,因此認(rèn)為該區(qū)域的側(cè)壓系數(shù)λ為1.5。因此,巷道圍巖塑性區(qū)整體分布類似于橫(臥)橢圓形,兩幫最大塑性區(qū)深度為1.2m,頂板基本完好,底板最大塑性深度為0.7m。

        4.大巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

        結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬所得巷道圍巖破壞特征與圍巖塑性區(qū)分布特征,選擇錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴漿的聯(lián)合支護(hù)方式。為了保證3-1回風(fēng)大巷的圍巖穩(wěn)定,取側(cè)壓系數(shù)λ為1.5時巷道圍巖塑性區(qū)分布,圍巖拱形肩部塑形區(qū)最大深度1.5m,兩幫塑形區(qū)最大深度0.5~0.8m,利用懸吊理論計算,對大巷錨桿錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

        (1)錨桿索總長度:

        選錨桿長度Lg=≥0.1+0.8+1=1.9m,錨桿有效長度選擇最大破壞深度0.8m;錨索長度Ls≥0.3+1.5+2=3.8m,錨索有效長度選擇特殊地段最大破壞深度1.5m;因此,錨桿長度選擇2250mm,錨索長度選擇6300mm。

        (2)錨桿索支護(hù)密度應(yīng)滿足:

        每米巷道錨桿索數(shù)量:

        每米巷道錨桿數(shù)量;

        每米巷道頂錨索數(shù)量。因此,錨桿選擇左旋螺紋鋼錨桿,間排距,錨索選擇錨索,間排距,每排2根。

        綜合所述,優(yōu)化后錨桿索支護(hù)參數(shù)為:Φ20×2250mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距800mm×1000mm;Φ21.8×6300mm錨索,間排距2400mm×3000mm,網(wǎng)片采用鋼筋網(wǎng),規(guī)格為6mm×100mm×100mm,最終大巷噴漿封閉,噴射混凝土厚度120mm,強(qiáng)度為C20,如圖4所示。

        5.工程實踐

        按照優(yōu)化后設(shè)計參數(shù)對3-1煤回風(fēng)大巷進(jìn)行支護(hù),并進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測,對優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行工程驗證。在距3-1煤回風(fēng)大巷開口500m、600m處各布置兩個測點,兩測點分別在巷道頂板及幫部,共布置四個測點。頂板處測點孔深8m,在2m,4m,8m安設(shè)3個觀測基點;幫部測點孔深2m,在1m,2m安設(shè)2個觀測基點。監(jiān)測各個觀測基點的相對位移量,得出巷道圍巖的破壞范圍。

        3-1煤回風(fēng)大巷深基點位移變化規(guī)律如圖5所示,監(jiān)測前10天頂板及兩幫的位移量增長較快,之后位移量趨于穩(wěn)定。在大巷頂板及幫部,隨著向深部增加,位移量逐漸減小,500m處頂板0~2m內(nèi)位移量5mm,2~4m內(nèi)位移量2mm,4~8m內(nèi)位移量0.5mm,總位移量7.5mm,600m處頂板0~2m內(nèi)位移量5.5mm,2~4m內(nèi)位移量2.5mm,4~8m內(nèi)位移量0.5mm,總位移量8.5mm;500m處幫部0~1m內(nèi)位移量5.5mm,1~2m內(nèi)位移量1.5mm,總位移量7mm ;600m處幫部0~1m內(nèi)位移量7.5mm,1~2m內(nèi)位移量2mm,總位移量9.5mm。各測點位移量均較小,大巷位移基本發(fā)生在頂板0~2m內(nèi),幫部0~1m內(nèi),巷道能夠保持穩(wěn)定。

        6.結(jié)論

        (1)通過現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬,門克慶3-1煤回風(fēng)大巷圍巖變形主要發(fā)生在兩幫,巷道片幫深度達(dá)到0.5~0.8m,頂板完整性較好,底板破壞較小,破壞形態(tài)整體類似于不規(guī)則的橫(臥)橢圓形。非等壓條件下,隨著側(cè)壓系數(shù)的增大,巷道兩幫圍巖塑性區(qū)分布變化不大,頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布范圍逐漸增大,且底板變化速率較大。

        (2)優(yōu)化后支護(hù)采用錨桿(索)網(wǎng)支護(hù),與原有支護(hù)相比,錨桿沿用Φ20×2250mm左旋螺紋鋼錨桿,增加錨桿的間排距,錨索則由原Φ17.8×8300mm錨索改用Φ21.8×6300mm錨索,增加錨索的間排距。優(yōu)化后支護(hù)參數(shù),減少了支護(hù)成本。

        (3)工程實踐表明,采用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù),大巷頂板最大位移量8.5mm,幫部最大位移量9.5mm,巷道可以保持穩(wěn)定。

        參考文獻(xiàn)

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