秦紹楠

(潞安化工集團(tuán) 高河能源有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100)

隨著礦井逐漸向深部開(kāi)采,礦山壓力顯現(xiàn)劇烈,高溫高壓等現(xiàn)象逐漸突出,因此,合理的支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖變形控制十分必要,對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。

江成玉等[3]通過(guò)數(shù)值模擬確定圍巖支護(hù)參數(shù),提出“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”支護(hù)方案實(shí)現(xiàn)巷道圍巖有效控制;付玉凱等[4]提出基于“長(zhǎng)短錨索”支護(hù)體系進(jìn)行塑性硬化區(qū)、塑性軟化區(qū)和流動(dòng)區(qū)變形的分區(qū)變形控制;王志等[5]對(duì)比常規(guī)支護(hù)方式,提出擴(kuò)孔結(jié)構(gòu)支護(hù)體系。

上述學(xué)者研究?jī)?nèi)容多側(cè)重于圍巖變形支護(hù)技術(shù)的研究分析,然而圍巖變形破壞實(shí)質(zhì)由能量引發(fā)?？紤]到當(dāng)前學(xué)者[6]對(duì)能量研究分析多集中于能量釋放引起的沖擊礦壓研究方面,而對(duì)能量釋放圍巖控制方面研究較少。本文以W4307-2工作面回風(fēng)巷為工程背景,針對(duì)巷道變形嚴(yán)重,基于能量耗散理論進(jìn)行原支護(hù)方案優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)深部開(kāi)采巷道圍巖的變形控制。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)概況

W4307-2工作面為西四盤(pán)區(qū)工作面,北面為未采區(qū),東面接+450 m水平南翼大巷,西面為W4307-1工作面采空區(qū),南面為W4308準(zhǔn)備工作面,該工作面位于3號(hào)煤層,煤厚5.3～6.9 m,平均6.2 m.全煤間夾有一層炭質(zhì)泥巖夾矸,厚度0.10～0.35 m,平均0.20 m.煤厚傾角為2°～15°,平均5°.煤層埋深439.6～454.1 m,距9號(hào)煤層平均距離60.5 m.W4307-2工作面巷道頂?shù)装鍘r性具體如表1所示。

表1 W4307-2工作面頂?shù)装迩闆r

1.2 巷道原始支護(hù)情況

W4307-2回風(fēng)巷道尺寸5 200 mm×3 850 mm(長(zhǎng)×寬)。頂板選用Φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)錨桿,間排距800 mm×1 200 mm;頂部布置Φ18 mm×4 000 mm錨索,間排距1 400 mm×2 400 mm,一組兩根。頂板選用7孔鋼筋梯子,幫部錨桿選用Φ20 mm×1 800 mm右旋等強(qiáng)錨桿,間排距850 mm×1 000 mm.支護(hù)布置具體如圖1所示。

圖1 巷道原支護(hù)示意(單位:mm)

巷道底板較為穩(wěn)定,因頂板夾雜泥巖、植物化石等,在工作面正常開(kāi)采時(shí),在原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力綜合影響下,原始支護(hù)方案已無(wú)法有效控制圍巖變形。

2 巷道圍巖能量耗散理論分析

2.1 巷道圍巖應(yīng)變能分析

礦井開(kāi)采造成煤巖體由原先的三向受力變?yōu)閱蜗蚴芰?應(yīng)力重分布過(guò)程實(shí)質(zhì)為圍巖能量的積聚和釋放,具體表現(xiàn)為圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育、破碎等過(guò)程,即能量耗散量決定了圍巖破壞的程度。

基于熱力學(xué)第一定律,假設(shè)能量耗散過(guò)程中不發(fā)生能量浪費(fèi)[7],則有:

Ud=W-Ue

(1)

式中:W為外力功作用總能量,kJ;Ud為煤巖體耗散能,kJ;Ue煤巖體可釋放彈性能,kJ.

(2)

(3)

(4)

式中:ε1為外加應(yīng)力σ1產(chǎn)生的應(yīng)變值,mm;ε2為外加應(yīng)力由σ1卸載至0時(shí),對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)變值,mm.

基于廣義胡克定律可知,可釋放彈性能:

(5)

式中:σ1、σ2、σ3為最大、中間和最小主應(yīng)力,MPa;E0為煤巖體的初始彈性模量;μ為煤巖體的初始泊松比。

基于以上公式可知,隨著圍巖體可釋放彈性能Ue減小,圍巖體耗散能Ud逐漸增大。當(dāng)耗散能大于圍巖體自身承受能量臨界值時(shí),圍巖體破裂;當(dāng)破壞呈現(xiàn)一定規(guī)模后,圍巖體發(fā)生破壞。

2.2 圍巖支護(hù)控能分析研究

基于2.1節(jié)研究結(jié)論,巷道圍巖發(fā)生破壞后,通過(guò)圍巖松動(dòng)圈形式表現(xiàn),圍巖松動(dòng)圈半徑大小與能量耗散量有密切聯(lián)系,而巷道支護(hù)目的就是有效控制淺部圍巖變形,同時(shí)減緩圍巖松動(dòng)圈范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖2為巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖,通過(guò)錨桿和錨索等支護(hù)構(gòu)件,在巷道圍巖周圍形成不同分區(qū)支護(hù)體,具體表現(xiàn)為內(nèi)外拱結(jié)構(gòu),即通過(guò)分層支護(hù),將淺部圍巖錨固區(qū)與深部錨固區(qū)有機(jī)結(jié)合,形成穩(wěn)定的錨固整體,從而實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的有效控制。

從支護(hù)控能角度分析,假設(shè)巷道支護(hù)錨固力大小為FN,則支護(hù)后巷道可抑制變形量為l,則通過(guò)支護(hù)控制變形實(shí)質(zhì)為對(duì)圍巖體進(jìn)行做功,基于圖2所示,因不同分層支護(hù)密度不同,因此錨固力大小不同,假設(shè)內(nèi)外拱錨固力大小分別為FN1、FN2,則相應(yīng)控制圍巖變形量分別為l1和l2,通過(guò)分層支護(hù)使內(nèi)外拱支護(hù)區(qū)形成有效支護(hù)整體,相較分區(qū)獨(dú)立支護(hù),圍巖控制效果更明顯。

圖2 巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意

基于上述分析,可確定公式如下:

Wz=(FN1l1+FN2l2)μ

(6)

式中:μ為支護(hù)增益系數(shù)。當(dāng)Wz不小于圍巖釋放耗散能Ud,即Wz≥Ud時(shí),巷道圍巖支護(hù)整體穩(wěn)定,否則說(shuō)明支護(hù)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的有效控制。

基于礦井地質(zhì)條件和圍巖松動(dòng)圈理論等,確定支護(hù)方案如下:

支護(hù)形式為錨網(wǎng)索+梯子梁支護(hù)形式。頂板每排7根錨桿,選用Φ22 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿,間排距800 mm×1 000 mm,錨桿托盤(pán)為170 mm×170 mm×12 mm,兩肩錨桿傾斜20°打設(shè)。錨索每排布置3根,采用“三、零、三”布置,均采用Φ22 mm×8 300 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線錨索,均垂直打設(shè),間排距1 150 mm/1 400 mm×1 000 mm.錨索托盤(pán)規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm,鋪設(shè)金屬網(wǎng),網(wǎng)孔為50 mm×50 mm.兩幫各打設(shè)5根錨桿,間排距800 mm×1 000 mm,第一根錨桿傾斜20°打設(shè),第五根錨桿傾斜10°打設(shè),兩幫均鋪設(shè)雙抗網(wǎng)。具體布置如圖3所示。

圖3 巷道優(yōu)化支護(hù)示意(單位:mm)

3 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步研究不同支護(hù)條件下巷道圍巖變形規(guī)律,本文進(jìn)行原支護(hù)和優(yōu)化支護(hù)條件模擬對(duì)比分析。模擬采用FLAC3D軟件,網(wǎng)格模型尺寸400 m×350 m×200 m,模型除頂部外,其余邊界均固定,模型頂部施加覆巖等效應(yīng)力σzz=12.04 MPa模擬覆巖原巖應(yīng)力。模擬參數(shù)如表2所示。

表2 FLAC3D模型巖層參數(shù)

通過(guò)模擬得到不同支護(hù)條件下巷道圍巖應(yīng)力分布示意如圖4所示,塑性區(qū)分布圖如圖5所示。

由圖4可知,兩種支護(hù)條件下巷道頂?shù)装寮皟蓭途尸F(xiàn)一定的規(guī)律分布。由圖4(a)原支護(hù)方案分析可知,巷道圍巖支護(hù)應(yīng)力較為分散,由于未形成完整有效的錨固體,因此巷道頂板圍巖應(yīng)力分布范圍較大,且向深部轉(zhuǎn)移。而在巷道兩幫集中應(yīng)力分布范圍較大,分別向頂板和底板發(fā)展,對(duì)整個(gè)巷道圍巖呈現(xiàn)包圍的趨勢(shì)。由圖4(b)優(yōu)化支護(hù)方案分析可知,優(yōu)化方案通過(guò)分層支護(hù),有效改善了淺部圍巖的結(jié)構(gòu),在提高了圍巖變形抵抗力的情況下,巷道圍巖變形降低。結(jié)合式(6),優(yōu)化方案較原支護(hù)方案對(duì)圍巖做功較多。因此,巷道淺部圍巖應(yīng)力區(qū)較原支護(hù)方案有明顯改善。尤其在兩幫區(qū)域,巷道圍巖集中應(yīng)力區(qū)呈明顯的減小趨勢(shì)。

圖4 不同支護(hù)方案垂直應(yīng)力場(chǎng)分布圖

根據(jù)圖5塑性區(qū)分布情況,并結(jié)合圖4獲得結(jié)論可知,巷道圍巖塑形破壞與圍巖應(yīng)力分布特征一致。由于優(yōu)化支護(hù)方案做功高于原支護(hù)方案,因此在原支護(hù)方案已經(jīng)發(fā)生破壞的區(qū)域,優(yōu)化支護(hù)方案未發(fā)生破壞。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

為進(jìn)一步確認(rèn)優(yōu)化支護(hù)方案支護(hù)效果,在W4307-2工作面回風(fēng)巷進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)方案實(shí)施。通過(guò)對(duì)巷道變形數(shù)據(jù)的提取,進(jìn)行巷道相對(duì)變形率展示,即巷道圍巖同一位置,優(yōu)化支護(hù)方案較原支護(hù)方案圍巖變形控制效率有明顯的提高。監(jiān)測(cè)周期50 d,具體如圖6所示。

圖6 不同支護(hù)方案圍巖控制效果示意

由圖6(a)可知,巷道圍巖總體呈現(xiàn)先急劇增長(zhǎng)后穩(wěn)定的狀態(tài),相對(duì)于原支護(hù)方案,優(yōu)化支護(hù)方案在同一圍巖區(qū)域較原支護(hù)方案提前穩(wěn)定。而且在急劇變形階段,優(yōu)化支護(hù)方案較原支護(hù)方案圍巖控制效果更加有效。由圖6(b)可知,優(yōu)化支護(hù)方案圍巖變形控制效果較原支護(hù)方案,不同時(shí)期控制效率均高于50%以上,說(shuō)明優(yōu)化支護(hù)方案能更好控制圍巖變形。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)W4307-2工作面回風(fēng)巷道原支護(hù)方案無(wú)法有效控制圍巖變形的情況,提出能量耗散理論的巷道圍巖變形控制方案。具體結(jié)論如下:

1) 建立圍巖能量耗散模型,揭示圍巖破壞內(nèi)在機(jī)理為圍巖耗散能釋放超過(guò)圍巖自身強(qiáng)度造成,通過(guò)改善圍巖整體支護(hù)結(jié)構(gòu),提高圍巖支護(hù)控能實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形控制。

2) 通過(guò)原支護(hù)和優(yōu)化支護(hù)方案在垂直應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)模擬因素的對(duì)比,確定優(yōu)化支護(hù)方案較原支護(hù)方案能對(duì)圍巖施加更多功。即支護(hù)控能,改善巷道圍巖變形。

3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)確定優(yōu)化支護(hù)方案較原始支護(hù)方案能提前使巷道圍巖穩(wěn)定,且不同階段圍巖變形控制效果均高于50%.