宋俊青

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西晉城048212）

井底車場(chǎng)作為連接井下運(yùn)輸作業(yè)和井筒提升的“咽喉”要道，對(duì)現(xiàn)代化礦井的安全生產(chǎn)起著關(guān)鍵的作用[1-2]。如何提高巷道圍巖強(qiáng)度以抵抗鄰近硐室引起的劇烈擾動(dòng)，是礦山企業(yè)安全生產(chǎn)工作亟待解決的一大難題[3]。本文以沁裕煤礦+900m水平井底車場(chǎng)工程為研究背景，利用FLAC 3D軟件，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，確定合理的井底車場(chǎng)巷道支護(hù)方案。

1 工程背景

1.1 礦井背景

山西蘭花沁裕煤礦有限公司位于山西省晉城市所轄的沁水縣城西南19km處，行政區(qū)劃屬沁水縣土沃鄉(xiāng)管轄。經(jīng)過(guò)勘查，井田內(nèi)含煤地層總厚為130.44m，含煤10層，煤層總厚度為7.34m，含煤系數(shù)5.63%。

1.2 井底車場(chǎng)概況

沁裕煤礦井底車場(chǎng)線路由進(jìn)出車線、材料車線、人車線組成，副井系統(tǒng)硐室布置有等候室、變電所、排水泵房、物品庫(kù)等硐室。服務(wù)年限長(zhǎng)，應(yīng)選擇在比較穩(wěn)定和堅(jiān)硬的巖（煤）層中。為了更好地選擇井底車場(chǎng)落底層位，按照井檢孔揭露的各地層水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，結(jié)合主井裝載水平與井底車場(chǎng)的關(guān)系。

2 數(shù)值模擬

2.1 巷道概況

沁裕煤礦+900m水平井底車場(chǎng)巷道斷面形狀均采用半圓拱斷面，巷凈寬5000mm，凈高4100mm，凈斷面17.8m2，掘進(jìn)寬5240mm，掘進(jìn)高4420mm，掘進(jìn)斷面20.2m2。

2.2 物理模型的建立

為了研究巷道在未進(jìn)行支護(hù)工作前圍巖變形規(guī)律及特征，本次模擬將引入專業(yè)巖土分析軟件FLAC 3D，對(duì)沁裕煤礦+900m水平井底車場(chǎng)巷道進(jìn)行數(shù)值模擬的分析。

將巖體假定為靜水應(yīng)力下的均質(zhì)體，模型尺寸按實(shí)際等比縮小，共建立22350個(gè)網(wǎng)格單元，對(duì)模型內(nèi)部X、Y、Z方向分別初始化15MPa的靜水應(yīng)力，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 井底車場(chǎng)計(jì)算模型

2.3 支護(hù)前模擬

圖2 為FLAC3D為井底車場(chǎng)巷道支護(hù)前圍巖穩(wěn)定性的模擬結(jié)果。如圖2（a）所示，巷道圍巖并不穩(wěn)定，在未進(jìn)行支護(hù)時(shí)，塑性區(qū)頂板分布范圍為2100mm，底板則較大于頂板，為2400mm，可以看出，巷道上部與下部主要受到拉伸破壞和剪切破壞的影響，兩邊地腳位置則主要受到剪切破壞影響較大。

圖2 巷道模擬結(jié)果（支護(hù)前）

圖2 （b）和（c）分別為包括水平位移和垂直位移在內(nèi)的巷道總位移的模擬圖以及在剪切應(yīng)力影響下，應(yīng)力的分布情況?？梢钥闯?，未進(jìn)行支護(hù)時(shí)巷道的最大移近量為165mm。此時(shí)應(yīng)力集中區(qū)域與巷道表面相距較遠(yuǎn)，且隨著塑性區(qū)的發(fā)育，巷道圍巖破壞程度趨于嚴(yán)重。

2.4 支護(hù)方案的確定

根據(jù)沁裕煤礦地質(zhì)條件與開(kāi)采技術(shù)，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，最終對(duì)井底車場(chǎng)巷道采用聯(lián)合支護(hù)的方式進(jìn)行巷道頂?shù)装宓目刂啤Ｆ渲?，頂部均采用錨桿、金屬網(wǎng)、錨索并噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)；兩幫采用錨桿、金屬網(wǎng)并噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)。具體支護(hù)參數(shù)為：

（1）錨桿方面：

錨桿規(guī)格：斷面一拱錨桿、幫錨桿均為?20mm×2300mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，斷面二拱錨桿、幫錨桿均為?20mm×2100mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，上述錨桿鉆孔直徑均為28mm。

拱錨桿：錨桿間、排距為800mm，每排布置11根拱錨桿，錨桿錨固力不應(yīng)小于50kN。

幫錨桿：錨桿間、排距為800mm，每排布置4根幫錨桿，錨桿錨固力不應(yīng)小于50kN。

（2）錨索方面：

錨索規(guī)格：采用?17.8mm鋼鉸線，井底車場(chǎng)巷道錨索排列方式為矩形排列。錨索長(zhǎng)度取6.5m，錨深為6.2m。為確保錨索的錨固強(qiáng)度，錨索長(zhǎng)度要根據(jù)頂板巖性情況確定，但錨索必須錨至穩(wěn)定的頂板巖層中不小于1.5m。

（3）金屬網(wǎng)方面：網(wǎng)片采用鋼筋網(wǎng)，每片長(zhǎng)2.0m，寬1.0m，網(wǎng)格100mm×100mm，鋼筋直徑4mm。頂部和兩幫應(yīng)全部鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)間距不大于300mm，網(wǎng)與網(wǎng)應(yīng)采用搭接方式，搭接長(zhǎng)度不小于100mm。

（4）噴射混凝土方面：噴射混凝土厚度：斷面一噴層厚度取120mm，斷面二噴層厚度取100mm。噴射混凝土的材料及配合比：噴射混凝土要求凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高，故應(yīng)優(yōu)先選用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號(hào)不得低于425號(hào)。為了保證混凝土強(qiáng)度和凝結(jié)速度，不得使用受潮或過(guò)期結(jié)塊的水泥。噴射混凝土與巖石粘結(jié)力（抗拉）不得小于5kg/cm2。

2.5 支護(hù)后數(shù)據(jù)

圖3 為FLAC3D為井底車場(chǎng)巷道支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性的模擬結(jié)果。如圖3（a）所示，在拉伸破壞方面，除了拱基線處與底臌處存在有輕微破壞以外，表面大部區(qū)域破壞范圍大幅縮減；同時(shí)，存在于巷道底角位置的剪切破壞也有所緩解。除此之外，由于錨桿在支護(hù)過(guò)程中，發(fā)揮著組合拱和懸吊雙重作用，從而可以確保整個(gè)塑性區(qū)在錨桿有效長(zhǎng)度所控制的范圍內(nèi)。

圖3 巷道模擬結(jié)果（支護(hù)后）

圖3 （b）和（c）分別為巷道支護(hù)后的總位移模擬圖和剪切應(yīng)力影響下的應(yīng)力分布圖?？梢钥闯?，支護(hù)后巷道的最大移近量為67mm，位移嚴(yán)重的問(wèn)題得到有效控制。巷道圍巖破壞范圍降低，剪應(yīng)力集中在拱頂兩耳處和底角處。

3 結(jié)束語(yǔ)

在制定井下支護(hù)工作時(shí)，對(duì)巷道進(jìn)行FLAC 3D模擬分析是十分必要的，可以有效地降低成本并確保方案合理可行。本文根據(jù)模擬結(jié)果，最終對(duì)沁裕礦+900m水平井底車場(chǎng)制定利用錨桿、錨網(wǎng)、錨索等支護(hù)設(shè)備進(jìn)行的聯(lián)合支護(hù)的支護(hù)方案，獲得了良好的應(yīng)用效果，支護(hù)后具體表現(xiàn)在：

（1）表面大部區(qū)域破壞范圍大幅縮減，僅在拱基線處、底臌處和巷道底角位置存在有輕微拉伸破壞和剪切破壞。

（2）巷道的最大移近量較支護(hù)前的165mm縮短到67mm，降幅達(dá)59.4%，位移嚴(yán)重的問(wèn)題得到有效控制，剪應(yīng)力集中在拱頂兩耳處和底角處。