李吉旺
(大同煤礦集團有限責(zé)任公司四臺礦,山西 大同 037001)
對于巷道掘進過程中圍巖破壞與穩(wěn)定性的研究一直是采礦工程領(lǐng)域?qū)W者與科技工作者研究的熱點話題,深入探究該問題對保證礦井安全、高效生產(chǎn)具有重要意義[1-5]。本文以大同煤礦80327 工作面運輸巷為工程背景,巷道在掘進過程中,巷道斷面收斂嚴重,礦壓顯現(xiàn)劇烈。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔窺視圖顯示,巷道圍巖變形呈現(xiàn)明顯的非均勻大變形特征,巷道兩幫幫角處塑性破壞深度達到最大。
大同煤礦四臺礦井位于大同煤田北部邊緣,距大同市區(qū)約30 km,其地理位置為:東經(jīng)112°58′47″~113°05′50″,北 緯40°02′49″~40°05′52″。井田構(gòu)造中等,80327 工作面運輸巷標高-988~-1040 m,開采煤層為8 煤,煤層厚度4.37~6.4 m,平均厚5.74 m。煤巖層鉆孔柱狀圖如圖1。
圖 1 煤巖層鉆孔柱狀圖
為了對非均質(zhì)條件下頂板硬巖對巷道圍巖蝶形破壞影響全面分析,采用數(shù)值模擬與正交實驗進行了研究。在實際工程中,巷道頂板上覆巖層呈層狀分布,為了簡化條件,通過變換圍巖巖性強度來探索層狀圍巖下蝶形破壞規(guī)律。硬巖參數(shù):參考泥巖參數(shù)(C=9 MPa,Φ=35°,RC=40 MPa),見表1所示。選取L16(34)三因素四水平的正交模擬方法,確定16 次數(shù)值模擬。實驗因素見表2。
表1 巷道巖層及煤的物理力學(xué)參數(shù)
表2 三因素四水平的實驗因素表
確定16 次數(shù)值模擬模型,其中模型中各巖層力學(xué)參數(shù)為固定值,只改變圍壓比、巷道斷面形狀及頂板硬巖厚度,其他條件相同,對模型同一位置做切片處理。根據(jù)塑性區(qū)切片、垂直及水平方向上的位移切片分別統(tǒng)計巷道在不同因素影響下的頂板上方塑性區(qū)面積、頂板位移量及兩幫位移量的具體數(shù)值,其統(tǒng)計結(jié)果見表3。
表3 正交實驗結(jié)果
選擇巷道頂板位移量、兩幫位移量及頂板上方塑性區(qū)面積的大小來判斷各個因素對巷道圍巖的影響程度,頂板位移量、兩幫位移量及頂板上方塑性區(qū)面積越大,表示對巷道的破壞影響越嚴重。極差分析表見表4。
表4 極差分析表
以“塑性區(qū)體積直觀分析”中的K1行中數(shù)據(jù)“7.125”為例,所代表的含義為當圍壓比為2.5 時,所有實驗方案中頂板塑性區(qū)面積相加求均值如式(1)所示:
極差計算方法為同一列中平均值的最大值減去最小值,同樣以“塑性區(qū)體積直觀分析”中的極差“5.875”為例,其代表含義為:分別求出圍壓比為2.5、2.6、2.7、2.8 時,所有實驗方案中頂板塑性區(qū)面積各自平均值,其中平均值的最大值減去平均值的最小值即為極差如式(2)所示:
極差(5.875)=K4(13)-K1(7.125) (2)
極差值越大,表明所在的列是最主要的影響因素。
通過對表3、表4 分析可得,若只考慮塑性區(qū)面積這一實驗指標,則實驗方案4 的組合最好;若只考慮頂板下沉量這一實驗指標,則實驗方案16的組合最好;若只考慮兩幫位移量這一實驗指標,則實驗方案1 的組合最好。對于巷道頂板塑性區(qū)面積敏感性因素而言,頂板硬巖厚度>巷道斷面形狀>圍壓比,與巷道頂板位移量敏感性因素相同。對于巷道兩幫位移量的敏感性因素而言,圍壓比>巷道斷面形狀>頂板硬巖厚度,與頂板塑性區(qū)、頂板位移量的敏感性因素相反。如圖2。
圖2 極差對比示意圖
為了更好地解釋地下井巷頂板硬巖對巷道圍巖蝶形破壞的影響規(guī)律,選擇正交實驗表(表3)中頂板塑性區(qū)面積作為研究背景。通過FLAC3D數(shù)值模擬,所得到的不同巷道斷面塑性區(qū)示意圖如圖3。
圖 3 巷道圍巖塑性區(qū)分布示意圖
由圖3 可知,隨著圍壓比的增大,不同斷面巷道塑性區(qū)呈蝶形分布越來越明顯,向深部延伸速率與圍壓比呈正相關(guān);不同斷面巷道頂板硬巖厚度越大,頂板塑性破壞面積越?。徊煌锏罃嗝嫘螤顚鷰r的蝶形破壞具有相似性 。從塑性區(qū)破壞結(jié)果看,巷道主要受剪切破壞,且剪切破壞占主導(dǎo)作用。
80327 工作面運輸巷道高×寬=4.3 m×4.5 m,在巷道頂板上覆巖層經(jīng)鉆孔窺視儀推進到2.5 m時,孔壁相對完整。通過對巷道兩幫幫角處窺視,鉆孔窺視儀推進到7 m 時,巖層裂隙發(fā)育豐富,但孔型較為完整。巷道塑性區(qū)示意圖如圖4。
圖4 巷道塑性區(qū)示意圖
針對上述探測結(jié)果,該礦運輸巷采用“注漿+錨索+錨桿”聯(lián)合支護方案。頂板支護:錨桿每排4 棵,錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2500 mm 高強預(yù)應(yīng)力螺紋錨桿,使用高強度阻尼螺母、塑料減摩墊圈、承載讓壓鋼墊圈及錨桿托盤(100 mm×100 mm×12 mm),間排距為900 mm×1000 mm。巷道幫角采用錨索支護,規(guī)格為Φ17.8 mm×8500 mm 十九芯錨索,間距為1500 mm。幫部支護:幫部使用Φ17.8 mm×4500 mm高強預(yù)應(yīng)力螺紋錨索,使用高強度阻尼螺母、塑料減摩墊圈,幫部錨桿間排距為1000 mm×1000 mm,錨桿施加預(yù)緊力為80 kN,錨索施加預(yù)緊力為150 kN。巷道支護示意圖如圖5。
圖 5 巷道支護示意圖(mm)
由圖4 可知,巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)與現(xiàn)場鉆孔窺視圖顯示特征高度一致,在非等壓條件下,巷道頂板塑性破壞被硬巖層阻隔因此造成塑性破壞的面積較小,而兩幫幫角處塑性破壞區(qū)逐漸增大,并向深部延伸,說明實際圍巖的層狀賦存對蝶形破壞造成不同程度的阻隔。采用該支護方案后,經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬后得到如圖6 巷道圍巖位移量。
由圖6 可知,根據(jù)位移計監(jiān)測結(jié)果,巷道位移量在50 d 后基本趨于穩(wěn)定,頂板、底板、左幫及右?guī)臀灰屏糠謩e達到55 mm、31 mm、65 mm、58 mm。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,巷道位移量在55 d 后基本趨于穩(wěn)定,巷道總體變形量較小,表明當前支護形式和支護參數(shù)與注漿聯(lián)合應(yīng)用實現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制。
圖6 巷道位移量示意圖
(1)對于巷道頂板塑性區(qū)面積敏感性因素而言,頂板硬巖厚度>巷道斷面形狀>圍壓比,與巷道頂板位移量敏感性因素相同。對于巷道兩幫位移量的敏感性因素而言,圍壓比>巷道斷面形狀>頂板硬巖厚度。
(2)根據(jù)位移計監(jiān)測結(jié)果,巷道位移量在50 d 后基本趨于穩(wěn)定,頂板、底板、左幫及右?guī)臀灰屏糠謩e達到55 mm、31 mm、65 mm、58 mm,巷道總體變形量較小,表明當前支護形式實現(xiàn)了對巷道圍巖的有效控制。