張向榮

(潞安化工集團(tuán) 常村煤礦,山西 長治 046000)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,國家對(duì)能源需求日益增長。我國存在“煤多油少”的情況,因此煤炭資源開采量及開采速度逐漸增長,且隨著多年開采,淺部煤層開采基本殆盡,礦井逐漸轉(zhuǎn)入深部開采時(shí)代[1-2]。深部開采條件下,巷道圍巖變形更加劇烈,傳統(tǒng)支護(hù)方式已經(jīng)無法有效控制深部巷道圍巖的變形,再加上采動(dòng)擾動(dòng)等影響,深部巷道圍巖變形控制所面臨的形勢(shì)更加嚴(yán)峻[3-5],因此基于礦井實(shí)際地質(zhì)條件,提出一種高效使用的巷道支護(hù)方案對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)十分重要[6]。

國內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)深部礦井支護(hù)進(jìn)行了廣泛研究,并取得重要的研究成果。王博等[7]針對(duì)高地應(yīng)力軟巖巷道,提出錨網(wǎng)索拱耦合支護(hù)方式進(jìn)行巷道圍巖控制,利用鉆孔監(jiān)測(cè),理論計(jì)算和數(shù)值模擬等方法對(duì)巷道關(guān)鍵部位進(jìn)行分析研究,確定在方案的實(shí)際應(yīng)用中,巷道圍巖得到有效控制,其中頂板最大變形14.7 mm,兩幫最大變形57.3 mm;馬新世等[8]針對(duì)深部礦井大斷面巷道圍巖變形量大等情況進(jìn)行研究分析,基于莫爾-庫倫等監(jiān)理錨桿注漿改性力學(xué)分析,并利用數(shù)值模擬等方法對(duì)多種工況條件下的圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)等進(jìn)行分析對(duì)比,確定“分層掘進(jìn)+滯后高壓注漿+強(qiáng)力錨索支護(hù)”的巷道圍巖控制方案,實(shí)際應(yīng)用后巷道塑性區(qū)破壞范圍明顯降低;江成玉等[9]針對(duì)深部條件下運(yùn)輸巷道軟巖變形大難于支護(hù)等問題,通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)等多種方法確定巷道破壞機(jī)理,并針對(duì)性地提出“錨桿/索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”等支護(hù)方案,利用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等多種方法進(jìn)行方案驗(yàn)證,確定優(yōu)化支護(hù)方案能夠有效控制巷道圍巖變形,改善圍巖應(yīng)力狀況;鄧廣哲等[10]基于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法對(duì)金川煤礦 8202 工作面回風(fēng)巷道軟巖控制問題研究,通過揭示圍巖變形破壞因素,并利用數(shù)值模擬等進(jìn)行多方案下的支護(hù)模擬對(duì)比,提出淺部注漿支護(hù)封堵圍巖裂隙、錨桿錨索支護(hù)配合錨索梁形成多層組合拱的聯(lián)合支護(hù)方式,通過方案的實(shí)施實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形較原方案降低約72.8%的效果。

上述學(xué)者對(duì)礦井巷道圍巖支護(hù)進(jìn)行深入研究,但是不同礦井地質(zhì)條件也不同,因此研究結(jié)論無法直接應(yīng)用于礦井生產(chǎn),本文借鑒前人研究方法,對(duì)常村煤礦2701工作面進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究,確定最佳支護(hù)方案。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

2701工作面回風(fēng)巷道井下位置位于3號(hào)煤層,煤層厚度6.13～6.18 m,平均厚度為6.16 m,含夾矸0～1層,平均厚度為0.05 m,煤層呈近水平分布,巷道埋深523.03～546.4 m.礦井頂?shù)装鍘r性,如圖1所示。

1.2 巷道支護(hù)形式

2701回風(fēng)巷設(shè)計(jì)凈寬6 m,凈高3.7 m,凈斷面22.2 m2,巷道頂支護(hù)為錨桿+金屬網(wǎng)+錨索支護(hù);錨桿矩形布置,間排距為1 000 mm×1 100 mm,錨桿規(guī)格為D18 mm×1 800 mm;錨索間排距1根/3 m,錨索規(guī)格為D15.24 mm×6 500 mm.巷道兩幫局部破碎處進(jìn)行幫網(wǎng)支護(hù),巷道實(shí)體煤幫玻璃鋼錨桿+塑料網(wǎng)支護(hù),玻璃鋼錨桿D20 mm×1 800 mm,2.5 m寬塑料網(wǎng)。巷道煤柱靠頂板1 500 mm范圍采用錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)+皮鋼帶,錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm,錨桿規(guī)格為D18 mm×1 800 mm,金屬網(wǎng)用10號(hào)鉛絲制成,網(wǎng)格60 mm×60 mm,每卷長10 m,寬為1.5 m.

巷道在原支護(hù)方案下巷道變形較大,且在相鄰工作面采動(dòng)影響下,巷道斷面收縮率最高達(dá)到35%,其中巷道頂板淺部圍巖及兩幫變形較大。

2 巷道圍巖錨固機(jī)理

基于礦井地質(zhì)條件,頂板條件屬于基本穩(wěn)定,雖然穩(wěn)定巖層與巷道頂板距離超出錨桿長度,但頂板極限跨距大于巷道的寬度,有一定承載能力,見圖2,通過錨桿支護(hù)形成一種連續(xù)的錨固串群體,生成塊體梁,將穩(wěn)定巖層下各個(gè)巖層保持穩(wěn)定狀態(tài)即可。

圖2 巖層錨固結(jié)構(gòu)圖

2.1 錨固串群體的形成

錨桿支護(hù)將周圍的巖塊結(jié)合,并改變巖塊的單向或雙向應(yīng)力狀態(tài)至三向應(yīng)力狀態(tài),使巖塊與錨桿形成了力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)一個(gè)整體,此結(jié)構(gòu)整體即為錨固串群體?！按后w結(jié)構(gòu)”如圖3所示。

圖3 “串群體結(jié)構(gòu)”示意

2.2 錨固串群體生成塊體梁結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理

錨桿支護(hù)形成錨固串群體結(jié)構(gòu)自穩(wěn)能力大于其應(yīng)力水平,則頂板處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)自穩(wěn)能力小于其應(yīng)力時(shí),串群體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞導(dǎo)致頂板冒落。錨固串群體形成的是形似梁實(shí)為拱的擠壓塊體梁結(jié)構(gòu)。

圖4為錨固串群體形成的形梁實(shí)拱結(jié)構(gòu)示意圖。塊體梁的厚度由錨固串群體的兩個(gè)鉸接點(diǎn)之間的距離決定。

圖4 錨固串群體形成的形梁實(shí)拱結(jié)構(gòu)示意

3 圍巖控制模擬研究

本文主要采用FLAC3D軟件進(jìn)行原支護(hù)與優(yōu)化支護(hù)位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)圍巖控制模擬,因?yàn)橄锏罃嗝娉叽邕h(yuǎn)小于巷道長度,巷道圍巖中的應(yīng)力分布與巷道軸線的位置無關(guān),且沿軸線方向不允許變形,所以是一個(gè)平面變形問題。因此模型尺寸40 m×9 m×50 m,模型除頂部外,其余各面均固定,模型頂部施加14.45 MPa.模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型巖層參數(shù)

3.1 模擬方案

基于礦井地質(zhì)條件及組合梁相關(guān)理論,設(shè)計(jì)計(jì)算如下支護(hù)方案:①頂板支護(hù):D18 mm×1 800 mm等強(qiáng)度圓鋼錨桿,頂板鋼帶,錨桿間排距1 000 mm×1 000 mm,靠近巷幫的頂板錨桿安設(shè)角度與水平方向夾角呈60°.錨索:單根鋼絞線D15.24 mm,長度6.5 m.②巷幫支護(hù):D18 mm×1 800 mm等強(qiáng)度圓鋼錨桿,靠近頂、底板的錨桿安設(shè)角度與水平方向夾角呈20°.五花眼布置。

3.2 模擬分析

通過方案模擬獲得如圖5～圖7所示位移場(chǎng)模擬示意。

圖5 原支護(hù)方案

圖6 優(yōu)化支護(hù)方案

圖7 原支護(hù)方案

分析圖5和圖6可知:在原支護(hù)條件下,巷道圍巖淺部變形區(qū)分布范圍大,即250～300 mm位移區(qū)分布范圍較優(yōu)化支護(hù)面積高約21%,同時(shí)巷道底板深部分布一定的零位移變形區(qū),即圍巖未發(fā)生變形,在原支護(hù)條件下零位移區(qū)距離底板距離較優(yōu)化方案深約34%,即原支護(hù)方案條件下原巖應(yīng)力向底板深處轉(zhuǎn)移,造成底板零位移區(qū)向深部轉(zhuǎn)移。在原支護(hù)條件下,巷道淺部圍巖平均位移286 mm,優(yōu)化支護(hù)方案后平均位移162 mm.上述情況說明,通過支護(hù)方案優(yōu)化后,不僅有效控制了淺部圍巖變形,同時(shí)改善了原巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移的程度,降低了底板變形量。

通過模擬獲得如圖7～圖8所示應(yīng)力場(chǎng)方案:

圖8 優(yōu)化支護(hù)方案

分析圖7～圖8可知:兩種支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力分布相似,對(duì)比兩種支護(hù)方案,其中在圍巖水平應(yīng)力條件下,優(yōu)化支護(hù)方案有效減小了頂板深部圍巖集中應(yīng)力分布范圍,其中原支護(hù)條件下,巷道頂板深處分別出現(xiàn)兩處集中應(yīng)力區(qū),而優(yōu)化支護(hù)方案只存在一處,且距離巷道頂板更遠(yuǎn);兩幫圍巖應(yīng)力在支護(hù)方案優(yōu)化后,集中應(yīng)力區(qū)減小,且其中原支護(hù)方案條件下巷道兩幫集中應(yīng)力平均8.4 MPa,優(yōu)化方案則為6.2 MPa.垂直應(yīng)力條件下,原支護(hù)方案條件下,巷道頂板圍巖平均應(yīng)力4.2 MPa,底板平均應(yīng)力3.2 MPa,優(yōu)化支護(hù)方案下,頂?shù)装鍑鷰r平均應(yīng)力分別為2.8 MPa和1.6 MPa,該結(jié)果與圖5和圖6位移變形原理相一致。

基于巷道整體的圍巖控制效果,優(yōu)化方案較原支護(hù)方案,不僅改善了巷道頂板和兩幫圍巖應(yīng)力情況,同時(shí)減緩了原巖應(yīng)力向底板的傳遞,實(shí)現(xiàn)了巷道淺部位移變形的控制。

基于上述位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬研究,優(yōu)化支護(hù)方案對(duì)于巷道圍巖控制更加有利。

4 結(jié) 語

1) 基于礦井地質(zhì)條件,提出基于錨桿(索)的“串群體結(jié)構(gòu)”巖層錨固機(jī)理,即通過各個(gè)錨固體串聯(lián)組合形成形梁實(shí)拱支護(hù)體結(jié)構(gòu)。

2) 通過優(yōu)化支護(hù)方案與原支護(hù)方案對(duì)比,通過位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬對(duì)比,確定優(yōu)化支護(hù)方案設(shè)計(jì)在頂板和兩幫圍巖變形控制及圍巖應(yīng)力改善作用更佳。