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        大直徑煤倉硐室施工擾動效應數(shù)值模擬分析

        2022-07-14 03:06:42姚韋靖龐建勇
        關(guān)鍵詞:收口煤倉降幅

        姚韋靖,劉 濤,陳 宇,黃 鑫,龐建勇

        (1. 安徽理工大學土木建筑學院,安徽淮南232001;2. 安徽理工大學土木工程博士后流動站,安徽淮南232001;3.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州221116)

        當前,煤炭占我國一次性能源的60%以上,居化石能源的主導地位。煤倉作為井下緩解生產(chǎn)與提升能力的特殊硐室,具有暫存煤炭、調(diào)節(jié)運輸、保證連續(xù)生產(chǎn)的功能[1]。隨煤炭需求逐年遞增煤倉硐室容量逐步提高,井下巷道及硐室分期開挖施工是一個隨時、空域不斷變化的施工過程,造成煤倉硐室圍巖大變形控制難題[2-3]。因此,煤倉硐室圍巖長期穩(wěn)定對保障煤炭安全開采、運輸具有重要意義。

        對于地下煤礦開采巖石力學問題常采用理論分析、工程類比、模型試驗、數(shù)值模擬等方法進行研究,數(shù)值模擬因可重復性好、成本低等優(yōu)勢而被廣泛采用。何滿潮等[4]采用FLAC3D軟件討論了不同施工方法與順序下硐室圍巖的力學特性,結(jié)果表明大斷面硐室的開挖過程是和應力路徑、應力歷史密切相關(guān)的不可逆過程;程樺等[5]針對深立井連接硐室群,數(shù)值模擬分析硐室群在開挖過程中圍巖位移規(guī)律和塑性區(qū)范圍,提出采用L 型鉆孔注漿的方法加固硐室圍巖[6];孫昌興等[7]采用ABAQUS 分析了多硐室的失穩(wěn)破壞機理,得出鄰近硐室施工影響泵房硐室應力和位移分布,提出采用“三錨”支護手段來加固圍巖穩(wěn)定。對于大型地下硐室群,祝方才等[8]認為,施工過程的應力釋放和轉(zhuǎn)移、圍巖劣化是導致硐室群失穩(wěn)加速的原因;石廣斌等[9]采用MIDAS-GTS/NX 軟件模擬了硐室群存在大量不良地質(zhì)條帶情況下的開挖支護過程,并確定了錨桿(索)噴拱架為主的加固方案。

        現(xiàn)有學者對于煤倉硐室的模擬研究,支護措施往往依據(jù)工程類比法,且少有對煤倉硐室施工開挖、支護全過程進行模擬。FLAC3D數(shù)值分析軟件屬于三維快速拉格朗日分析程序,適合于大斷面硐室群施工全過程的模擬[10-12]。朱仙莊煤礦新增的2 個煤倉硐室直徑均達10 m,屬于超大直徑硐室[13],2 個煤倉緊臨施工,擾動嚴重。為防止此煤倉硐室在施工和使用過程中發(fā)生破壞,采用FLAC3D數(shù)值軟件討論煤倉開挖施工全過程對圍巖穩(wěn)定的擾動效應,以期為類似工程提供參考。

        1 工程概況

        朱仙莊煤礦位于宿州礦區(qū)北部,井田面積為26.3 km2,生產(chǎn)能力為245 萬t。主采煤層埋深至-700 m 水平,地質(zhì)條件復雜,水、火、瓦斯、頂板、煤塵、地壓“六害”俱全,屬于煤與瓦斯突出礦井。為緩解井下運輸系統(tǒng)緩沖能力不足,在二采區(qū)皮帶機石門上方增設(shè)2 個煤倉,緩沖來自兩翼的煤炭。兩個煤倉埋深-380.45 m,凈深度為36.2 m、直徑為10 m、煤倉容量為2 300 m3。采用錨網(wǎng)索噴+鋼筋混凝土澆筑+注漿的聯(lián)合支護方式,具體支護參數(shù)為錨桿直徑22 mm,長度L=2 800 mm,間排距700 mm;錨索直徑17.8 mm,長度L=6 300 mm,錨索間排距1 400 mm;金屬網(wǎng)鋼筋直徑6 mm,網(wǎng)孔間距100 mm×100 mm;初噴混凝土等級C20,厚度50 mm;注漿錨桿直徑20 mm,長度L=2 500 mm,間排距1 400 mm,自下而上注漿;澆筑混凝土強度C30,厚度500 mm。煤倉硐室形狀、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計示意如圖1。

        圖1 煤倉硐室結(jié)構(gòu)示意 單位:mmFig.1 Schematic diagram of coal bunker chamber unit:mm

        根據(jù)施工進度安排,1 號煤倉施工后2 號煤倉開始施工,鄰近硐室施工對既有煤倉硐室產(chǎn)生施工擾動等不利影響,造成圍巖穩(wěn)定控制難題[14-16]。增設(shè)的緩沖煤倉位置示意見圖2。

        圖2 增設(shè)煤倉位置示意 單位:mmFig.2 Location indication of adding coal bunker chamber unit:mm

        2 煤倉硐室模型的建立和測點布置

        2.1 模型的建立

        根據(jù)設(shè)計方案,考慮煤倉與巷道相對位置、開挖的影響范圍,建立硐室及周邊圍巖體三維數(shù)值計算模型,確定整個地層模型尺寸為200 m×200 m×200 m。采用襯砌單元模擬混凝土結(jié)構(gòu)的力學性能,采用cable 單元模擬錨桿和錨索,選用Mohr-Coulomb 準則作為材料彈塑性本構(gòu)模型。采用RHION 軟件建立硐室及地層幾何模型,然后將模型導入FLAC3D進行網(wǎng)格劃分,共657 035 個單元、111 724 個節(jié)點,模型示意及網(wǎng)格劃分見圖3。設(shè)置模型底面和四周為固定邊界、頂部為自由邊界,在頂部施加豎向荷載以代替上覆巖層自重,自重應力取400 m×25 kN/m3=10.0 MPa[17]。根據(jù)礦井地質(zhì)資料[18],煤倉所處地層巖性主要有粉砂巖、泥巖和粉質(zhì)泥巖,整體強度低、遇水膨脹崩解,自身穩(wěn)定性差,結(jié)合取芯進行巖樣的物理力學性能測試,得到施工開挖巖層主要特性參數(shù),見表1。

        圖3 煤倉硐室模型網(wǎng)格劃分示意Fig.3 Schematic diagram for grid division of coal bunker model

        表1 圍巖主要力學參數(shù)Tab.1 Main mechanical parameters of surrounding rock

        2.2 測點布置

        為與工程實際接近,模型地應力平衡后,開挖巷道完成1號煤倉施工,而后開挖鄰近巷道開始2號煤倉施工。1號煤倉施工步驟為開挖、錨桿錨索支護、混凝土襯砌聯(lián)合支護3個過程,2號煤倉施工步驟為開挖、錨桿錨索-混凝土襯砌聯(lián)合支護兩個過程。為討論1號煤倉聯(lián)合支護、2號煤倉開挖、聯(lián)合支護施作后壁面位移變化,在煤倉硐室壁面布置相應測點,測點布置見圖4。圖4所示測點具體為煤倉上部收口(測點1~20)、倉身壁面(測點37~60)、下部收口(測點21~36)、分煤器(測點61~64)4個部位。

        圖4 煤倉硐室壁面測點布置Fig.4 Layout of measuring points on the wall of coal bunker chamber

        3 結(jié)果和分析

        3.1 1號煤倉施工過程圍巖應力與位移分布

        1 號煤倉開挖、錨桿錨索支護及聯(lián)合支護后的應力、位移分布如圖5。由圖5(a),(c),(e)可知:1 號煤倉開挖后,煤倉上部和下部收口處存在應力集中現(xiàn)象,應力峰值分別為25.23,26.43 MPa,而煤倉倉身整體未出現(xiàn)明顯應力集中;施加錨桿錨索支護后,煤倉上部和下部收口處集中應力峰值分別降為21.36,22.95 MPa,相較于未支護時降幅分別為15.34%,13.17%;施加聯(lián)合支護后,煤倉上部和下部收口處的應力峰值分別降為16.43,18.05 MPa,相較于未支護時降幅分別為34.88%,31.71%。由圖5(b),(d),(f)可知:1 號煤倉開挖后上部收口處的圍巖處于懸空狀態(tài),產(chǎn)生了11.73 cm 的向下位移,煤倉倉身圍巖出現(xiàn)了約3 cm 的向內(nèi)位移,煤倉下部收口處存在7 cm 的位移,而下部的分煤器出現(xiàn)“起拱”現(xiàn)象,出現(xiàn)了11.67 cm 的拱起;施加錨桿錨索支護后,煤倉上部收口處、煤倉倉身、下部收口處、分煤器處圍巖的位移分別降為7.61,1.89,3.48,5.16 cm,相較于未支護時降幅分別為35.12%,37.00%,50.29%,55.78%;施加聯(lián)合支護后,上部收口處、煤倉倉身圍巖、下部收口、分煤器的位移分別降為4.25,1.10,0.80,0.43 cm,相較于未支護時降幅分別為63.77%,63.00%,88.57%,96.32%。由此表明,施加支護后有效改善了1號煤倉圍巖的受力和位移變形狀態(tài),減弱了煤倉圍巖的應力集中現(xiàn)象,煤倉圍巖位移變形出現(xiàn)大幅降低。

        圖5 1號煤倉施工過程應力與位移分布Fig.5 Stress and displacement distribution of No.1 coal bunker chamber during construction

        3.2 2號煤倉施工過程圍巖應力與位移分布

        2號煤倉開挖、聯(lián)合支護后1號煤倉與2號煤倉的應力分布如圖6。

        圖6 2號煤倉施工過程應力分布Fig.6 Stress distribution of No.2 coal bunker chamber during construction

        由圖6 可知:2 號煤倉開挖后,1 號煤倉上部和下部收口處的集中應力分別降至13.65,15.09 MPa,相較1號煤倉完成聯(lián)合支護,圍巖應力小幅降低,降幅分別為16.92%,16.40%;聯(lián)合支護完成后,1號煤倉上部和下部收口處應力峰值分別為14.94,16.45 MPa,相較2 號煤倉開挖未支護時有小幅提高,增幅分別為9.45%,9.01%。

        1 號煤倉聯(lián)合支護、2 號煤倉開挖、聯(lián)合支護工況施工完成3 種工況下1 號煤倉測點位移分布如圖7。由圖7 可見:3 種工況下,煤倉上部收口處測點位移最大處均為1 號測點,1 號煤倉聯(lián)合支護完成后位移為4.25 cm,2 號煤倉完成開挖后位移為3.06 cm,降幅為28.00%,聯(lián)合支護后位移為3.85 cm,增幅為25.82%;倉身壁面最大位移均出現(xiàn)在47 號測點,分別為1.10,0.85,0.89 cm,經(jīng)歷2 號煤倉開挖后降幅為22.73%,聯(lián)合支護后增幅為4.70%;下部收口處最大位移均為21號測點,分別為0.80,0.72,0.75 cm,經(jīng)歷2號煤倉開挖后降幅為10.00%,聯(lián)合支護后增幅為4.17%;分煤器最大位移均為61號測點,分別為0.43,0.39,0.42 cm,經(jīng)歷2號煤倉開挖后降幅為9.30%,聯(lián)合支護后增幅為7.70%。結(jié)合圖7(a),(c)與圖4分析可知,2號煤倉開挖對1號煤倉圍巖的影響范圍在上部收口處約12 m、下部收口約10 m。

        圖7 1號煤倉測點位移分布Fig.7 Displacement distribution of measuring points of No.1 coal bunber chamber

        綜上可知,2 號煤倉開挖后的卸荷擾動作用使1 號煤倉圍巖應力、位移減小,2 號煤倉施加支護后產(chǎn)生的約束作用使1 號煤倉圍巖應力、位移產(chǎn)生小幅提升。在煤倉部分斷面改變區(qū)域,如上部收口處、下部卸煤口處出現(xiàn)應力聚集,可考慮適當補強措施以消減應力集中;為消減煤倉中部兩地層交界處應力集中現(xiàn)象可采用注漿措施使地層巖性接近。

        4 結(jié) 論

        1)1 號煤倉先期施工完成后,在煤倉上部收口、下部收口存在應力集中現(xiàn)象,在煤倉上部收口和倉身處出現(xiàn)較大位移;施加支護可有效改善煤倉的受力和位移變形狀態(tài),其應變、位移出現(xiàn)大幅降低。

        2)近距離煤倉開挖、支護施工對先期施工煤倉具有擾動效應,開挖后形成卸荷作用使先期煤倉硐室圍巖應力、變形減小,支護后產(chǎn)生的約束作用使先期煤倉硐室圍巖應力變形輕微反彈。

        3)在出現(xiàn)應力集中的煤倉部分斷面區(qū)域可適當提高錨桿布置密度,煤倉中部兩地層交界處可采用注漿措施使地層巖性接近,以消減應力集中現(xiàn)象。

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