張文鵬

摘 要：針對(duì)復(fù)合頂板煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，回采巷道支護(hù)難度大的特點(diǎn)。本文以斜溝礦23111工作面為研究背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行研究，通過對(duì)不同工況下巷道頂板底板及巷道兩幫變形量進(jìn)行分析，制定科學(xué)的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案，實(shí)踐取得良好效果，有效保證礦井的安全生產(chǎn)，同時(shí)，也為礦井地質(zhì)條件相類似的巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：回采巷道;FLAC3D數(shù)值模擬;錨桿錨索聯(lián)合支護(hù);圍巖變形量

隨著礦井采掘深度和開采年限的不斷延伸，賦存條件較為簡(jiǎn)單的煤層已經(jīng)逐步開采完，采掘已逐步轉(zhuǎn)向賦存條件較為惡劣的煤層。礦井回采巷道支護(hù)技術(shù)作為煤礦安全生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，如何降低支護(hù)成本，提高安全工效是當(dāng)前礦井安全生產(chǎn)的重點(diǎn)課題[1]。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)作為自主動(dòng)支護(hù)體系具備掘進(jìn)快、成本低、支護(hù)效果好等特點(diǎn)，但錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)由于支護(hù)參數(shù)及耦合的原因時(shí)長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)圍巖變形大、速度快造成支護(hù)不及時(shí)，使得圍巖未得到有效的控制，同時(shí)由于支護(hù)過度造成資源浪費(fèi)。所以對(duì)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)參數(shù)選定進(jìn)行研究是十分有必要的。本文以斜溝礦23111綜采工作面為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行建模分析，給出了錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)合理值，為巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)提供一定的參考，有效保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 數(shù)值模型的構(gòu)建

斜溝礦位于山西省興縣北60km處，礦區(qū)南北長(zhǎng)約2km，東西寬約3-4km，礦井面積約88.6km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0Mt/a。23111工作面位于斜溝煤礦21采區(qū)，該工作面所采用的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)并不是簡(jiǎn)單的加強(qiáng)支護(hù)，而是相互影響的支護(hù)方案，當(dāng)進(jìn)行軟弱圍巖支護(hù)時(shí)，聯(lián)合支護(hù)相互互補(bǔ)，將錨索和錨巖支護(hù)體進(jìn)行有效的結(jié)合，由于軟弱圍巖在掘進(jìn)初期變形量較大，此時(shí)加入錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)時(shí)由于圍巖的變形量較大極易造成錨索的斷裂，單純的錨桿支護(hù)通過其相互的擠壓作用使得圍巖和錨桿形成具有一定載荷能力的錨固體，此時(shí)錨固體可以存在一定的變形，將圍巖內(nèi)部的彈性應(yīng)變能進(jìn)行有效的釋放，使之在一定程度上達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)加裝錨索，由于此時(shí)圍巖變形量較低，對(duì)錨索變形量的要求不高，從而大大降低了圍巖的變形量，提升了錨固體的穩(wěn)定性，改善了圍巖的環(huán)境。

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)形式下成拱的作用機(jī)理是利用錨索網(wǎng)與圍巖組成拱，在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，使得大變形圍巖的整體抗剪程度大大提升，同時(shí)施加錨索預(yù)應(yīng)力使得巷道頂板的應(yīng)力張量得到一定的緩減，使得頂板的抗變形能力得到一定的提升。同時(shí)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)下使得巷道巖石的冒落得到控制，有效提升了巷道的穩(wěn)定性。

為了對(duì)聯(lián)合支護(hù)下巷道頂板的運(yùn)移進(jìn)行一定的研究，本文選定FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況對(duì)模型進(jìn)行建立，巷道的尺寸設(shè)計(jì)為4.5m×2.9m，巷道埋深為400m，經(jīng)過對(duì)巷道影響范圍進(jìn)行計(jì)算，給出影響范圍的半徑為13.4m，為了消除邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)模型長(zhǎng)寬高分別為40m、4m和40m，完成模型尺寸設(shè)計(jì)后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮實(shí)際模擬情況，選擇對(duì)巷道的頂板及兩幫位置進(jìn)行模型的細(xì)化分。對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的設(shè)定，根據(jù)地質(zhì)資料，將模型從上到下分為5層，分別為6m細(xì)砂巖、20.5m的泥巖、6m的煤層、20.5m的泥巖及5m的粉砂巖。根據(jù)巖石力學(xué)屬性對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。完成模型參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，對(duì)模型下邊界進(jìn)行固定約束設(shè)置，左右兩邊限制移動(dòng)，在模型上端施加覆巖自重約為6.5MPa。完成模型設(shè)定后對(duì)模型的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行一定的設(shè)置，模型頂板錨桿的參數(shù)為：錨桿直徑40mm，錨桿長(zhǎng)度為2400mm，錨桿布置間排距為800mm×2000mm，錨桿的預(yù)應(yīng)力為60kN;左幫錨桿的參數(shù)為：錨桿直徑18mm，錨桿長(zhǎng)度為1800mm，錨桿布置間排距為760mm×2000mm，錨桿的預(yù)應(yīng)力為40kN;頂板錨桿的參數(shù)為：錨桿直徑18mm，錨桿長(zhǎng)度為1800mm，錨桿布置間排距為760mm×2000mm，錨桿的預(yù)應(yīng)力為40kN;頂板錨索直徑17.8mm，錨桿長(zhǎng)度為6000mm，錨索布置間排距為1900mm×4000mm，錨桿的預(yù)應(yīng)力為400kN。完成模型設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 數(shù)值模擬計(jì)算分析

首先對(duì)測(cè)點(diǎn)距離23111工作面距離80m、60m、40m、20m四種工況進(jìn)行分析，隨著23111工作面的不斷推進(jìn)，工作面距離巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐步靠性?？紤]到模擬巷道斷面為矩形，所以在巷道的斷面易形成拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)在巷道的頂板邊角處也易出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致巖體發(fā)生破壞?？傻贸霾捎缅^桿索聯(lián)合支護(hù)后可有效的控制了圍巖的位移。使得回采巷道的礦壓顯現(xiàn)來看，巷道圍巖的變形主要由兩部分組成;一邊為支承壓力下圍壓產(chǎn)生的變形;另一個(gè)是由于圍巖的應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形。由于讓壓錨桿的支護(hù)存在一定的可縮性，使得錨桿可隨圍巖變形進(jìn)行一定的伸縮調(diào)節(jié)，從而釋放一定的變形能，保障了巷道的穩(wěn)定性。當(dāng)用錨桿支護(hù)時(shí)會(huì)形成組合拱結(jié)構(gòu)，很大程度上可以抑制沿走向圍巖的松動(dòng)變形，使巷道具有很好的穩(wěn)定，在一定程度限制變形。不同工況下巷道頂板底板變形量及巷道兩幫變形量對(duì)比圖如圖1所示。

如圖1所示，在模型巷道布置的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。隨著23111工作面每向前推進(jìn)20m，位移監(jiān)測(cè)記錄一次位移變化，得出不同工況下巷道的應(yīng)力及變形云圖。根據(jù)巷道頂板底板移近量及巷道兩幫移近量對(duì)比圖可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)和工作面的距離隨之減小，此時(shí)巷道底板的表面位移呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)工作面與測(cè)點(diǎn)的距離為90m時(shí)，此時(shí)巷道底板的變形量為19mm;隨著工作面距監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離減小至2m時(shí)，巷道底板的變形量增大為40mm，底板的變形量增大了21mm。巷道底板的位移變形趨勢(shì)大致呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的趨勢(shì)，當(dāng)工作面距監(jiān)測(cè)點(diǎn)為60m時(shí)，此時(shí)巷道頂板表面位移出現(xiàn)增大的情況，巷道頂板的變形量為90mm;隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，巷道頂板變形量逐步降低，當(dāng)工作面持續(xù)推進(jìn)至40m時(shí)，此時(shí)巷道頂板位移量逐步趨于平穩(wěn)，變形約23mm;工作面距測(cè)點(diǎn)小于40m時(shí)，巷道頂板的位移量增大，增大至120mm。這是由于隨著工作面推進(jìn)至60m的位置時(shí)，此時(shí)工作面的超前支撐壓力作用于頂板，造成巷道頂板的位移量增大，當(dāng)距工作面40m，此時(shí)由于工作面?zhèn)认蛑螇毫εc超前支撐應(yīng)力共同作用，巷道頂板表面位移再次升高。

隨著23111工作面距測(cè)點(diǎn)距離的不斷縮小，巷道兩幫位移量呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，對(duì)比左幫右?guī)臀灰谱冃瘟堪l(fā)現(xiàn)，巷道左幫位移變化量小于右?guī)?。左幫位移最大變化量約35mm，右?guī)妥畲笪灰谱冃瘟考s為18mm，這是由于頂板應(yīng)力向底板轉(zhuǎn)移過程中，作用于幫部所致，而右?guī)褪艿降牟捎绊戄^大。

3 結(jié)論

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)23111工作面巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，通過構(gòu)建數(shù)值模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ)。為檢驗(yàn)巷道圍巖變形控制效果，分別在距離工作面80m、60m、40m、20m距離下的位移云圖進(jìn)行分析研究，證實(shí)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)可有有效控制巷道圍巖的松動(dòng)變形，維護(hù)巷道穩(wěn)定性。與此同時(shí)，在對(duì)不同工況下巷道頂板底板變形量及巷道兩幫變形量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著工作面距測(cè)點(diǎn)距離的不斷縮小，巷道兩幫位移量呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，頂板底板移近量呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，有效保證礦井的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]穆海洋，畢業(yè)武，蒲文龍.復(fù)合頂板回采巷道錨，梁，網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[J].煤礦支護(hù)，2009（1）：28-31.