羅波遠(yuǎn),高 瑞,樊 榮,寧掌玄,鄭嘉璐

(1.杭錦旗西部能源開發(fā)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300;2.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)

我國能源結(jié)構(gòu)為富煤貧油少氣,煤炭探明資源儲量為累計1.4萬億噸,雖然新能源消費(fèi)逐年在增加,但煤炭能源消費(fèi)仍占我國能源消費(fèi)總量的一半以上,短期內(nèi)煤炭資源在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的地位不會發(fā)生改變。

隨著淺部煤炭資源逐步枯竭,深部開采已成為趨勢,深部開采軟巖巷道占比逐年增加[1-6]。深部軟巖巷道的支護(hù)較常規(guī)巷道支護(hù)有更高要求。在雙碳背景下,運(yùn)用先進(jìn)設(shè)備積極探索更加合理的軟巖巷道支護(hù)方式,可以更好地助力礦山實(shí)現(xiàn)安全高效智能開采[7-10]。

近年來國內(nèi)專家、學(xué)者圍繞軟巖巷道的支護(hù)取得了豐碩的研究成果。孟慶斌等[6]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法揭示了深井軟巖巷道群掘進(jìn)擾動效應(yīng)。王文利等[11]采用工程地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值仿真、室內(nèi)實(shí)驗和理論分析的方法,分析了胡底礦盤區(qū)泵房底鼓變形的原因,提出了深部高應(yīng)力富水軟巖巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)。范育青等[12]采用X射線、電鏡掃描、巖石力學(xué)物理實(shí)驗和現(xiàn)場監(jiān)測的方法,揭示了西部弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖變形破壞失穩(wěn)機(jī)理。錨桿、錨索等聯(lián)合支護(hù)已成為礦井支護(hù)的有效方法之一,不同方案的錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)若采用現(xiàn)場實(shí)測的方法費(fèi)時、費(fèi)力且工程量巨大[13-17]。

本文以紅慶梁礦12301膠運(yùn)巷掘進(jìn)巷道為研究對象,采用FLAC3D軟件分析該礦12301膠運(yùn)巷掘進(jìn)巷道在不同支護(hù)方案下圍巖應(yīng)力分布及塑性區(qū)破壞規(guī)律,為相似地質(zhì)條件下的深部軟巖巷道的支護(hù)提供了理論參考依據(jù)。

1 概 況

紅慶梁煤礦12301膠運(yùn)巷位于二盤區(qū)北部,3-1煤北翼輔運(yùn)大巷西部,南以設(shè)計12301膠帶巷為界,北以二盤區(qū)北部盤區(qū)邊界為界,西部以設(shè)計切眼位置為界,東部以3-1煤輔運(yùn)大巷為界。工作面相對位置:工作面地表位于小鄂來色太溝南部,溝壑縱橫,屬高原侵蝕性丘陵地貌,大部分地區(qū)為低矮山丘,植被稀疏,屬固定沙丘地,為半荒漠地區(qū),掘進(jìn)對地面設(shè)施無影響。地表標(biāo)高為+1 465.2～1 514.2 m.工作面標(biāo)高為998.2 m～1 027.5 m.12301膠運(yùn)巷位于3-1煤層,該煤層上部2-2煤局部不可采,下部4煤未開拓,周邊均未采動。煤層厚度為3.41～6.30 m,平均4.53 m.煤層傾角為1°～3 °,平均2 °.工作面開采煤層為侏羅系中下統(tǒng)延安組煤層,3-1煤煤層結(jié)構(gòu)較簡單,大多含1層夾矸,夾矸厚度為0.05～0.2 m.3-1煤層層位穩(wěn)定,厚度在井田中東部較厚,向西向南漸變,相對較薄,厚度變化不大。

2 不同支護(hù)方案的數(shù)值模擬

2.1 模型建立

選用有限元差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析,模型長×寬×高=40 m×100 m×50 m,巷道位于模型中間,尺寸為6 m×4 m,巷道支護(hù)方式為錨桿索聯(lián)合支護(hù),其中錨桿采用Φ22 mm、長度2 600 mm的細(xì)絲錨桿,頂錨桿間排距為700/1 300 mm×1 000 mm,幫錨桿間排距為1 000 mm×1 100 mm.錨索采用Φ21.8 mm、長度7 300 mm的抗剪切錨索,間排距為2 000 mm×2 000 mm.在模型表面施加12.5 MPa的垂直應(yīng)力模擬上覆巖層的自重,模型選用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計算。數(shù)值計算模型見圖1,巷道支護(hù)方案見圖2.

圖1 數(shù)值計算模型

圖2 膠運(yùn)巷巷道不同支護(hù)方案

2.2 膠運(yùn)巷不同支護(hù)方案

方案1:頂板采用Φ22 mm×2 600 mm的細(xì)絲錨桿,布置8根錨桿,錨桿、鋼帶交替使用,鋼筋網(wǎng)(Φ6 mm×1 200 mm×3 800 mm)、蝶形托盤(150 mm×150 mm×10 mm)聯(lián)合支護(hù)頂板,4號、5號錨桿間距1 300 mm,其余錨桿間距700 mm,排距1 000 mm.幫部采用Φ22 mm×2 600 mm的細(xì)絲錨桿,布置4根錨桿,菱形鉛絲網(wǎng)(Φ8 mm×2 400 mm)、蝶形托盤(200 mm×200 mm×10 mm)聯(lián)合支護(hù)幫部,1號錨桿距離頂板700 mm,2號、3號、4號錨桿間距1 000 mm,4號錨桿距離巷道底板300 mm,幫部錨桿排距1 100 mm.錨索支護(hù):錨索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的抗剪切鳥窩錨索、JM錨索梁(4.75 mm×320 mm×450 mm)、JM錨索梁托盤(14 mm×200 mm×220 mm)聯(lián)合支護(hù)頂板,3-3-3布置,錨索間排距2 000 mm×2 000 mm.

方案2:頂板采用Φ22 mm×2 600 mm的細(xì)絲錨桿,布置6根錨桿,錨桿、鋼帶交替使用,鋼筋網(wǎng)(Φ6 mm×1 200 mm×3 800 mm)、蝶形托盤(150 mm×150 mm×10 mm)聯(lián)合支護(hù)頂板,3號、4號錨桿間距1 300 mm,其余錨桿間距1 000 mm,排距1 000 mm.幫部采用Φ22 mm×2 600 mm的細(xì)絲錨桿,布置4根錨桿,菱形鉛絲網(wǎng)(Φ8 mm×2 400 mm)、蝶形托盤(200 mm×200 mm×10 mm)聯(lián)合支護(hù)幫部,1號錨桿距離頂板700 mm,2號、3號、4號錨桿間距1 000 mm,4號錨桿距離巷道底板300 mm,幫部錨桿排距1 100 mm.錨索支護(hù):錨索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的抗剪切鳥窩錨索、JM錨索梁(4.75 mm×320 mm×450 mm)、JM錨索梁托盤(14 mm×200 mm×220 mm)聯(lián)合支護(hù)頂板,3-3-3布置,錨索間排距2 000 mm×2 000 mm.

方案3:頂板采用Φ22 mm×2 600 mm的細(xì)絲錨桿,布置8根錨桿,錨桿、鋼帶交替使用,鋼筋網(wǎng)(Φ6 mm×1 200 mm×3 800 mm)、蝶形托盤(150 mm×150 mm×10 mm)聯(lián)合支護(hù)頂板,4號、5號錨桿間距1 300 mm,其余錨桿間距700 mm,排距1 000 mm.幫部采用Φ22 mm×2 600 mm的細(xì)絲錨桿,布置3根錨桿,菱形鉛絲網(wǎng)(Φ8 mm×2 400 mm)、蝶形托盤(200 mm×200 mm×10 mm)聯(lián)合支護(hù)幫部,1號錨桿距離頂板800 mm,3號錨桿距離底板800 mm,1號、2號、3號錨桿間距1 200 mm,幫部錨桿排距1 100 mm.錨索支護(hù):錨索采用Φ21.8 mm×7 300 mm的抗剪切鳥窩錨索、JM錨索梁(4.75 mm×320 mm×450 mm)、JM錨索梁托盤(14 mm×200 mm×220 mm)聯(lián)合支護(hù)頂板,3-3-3布置,錨索間排距2 000 mm×2 000 mm.

2.3 不同支護(hù)方案下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征

不同支護(hù)方案下的巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征見圖3.3種支護(hù)方案下,巷道圍巖最大垂直應(yīng)力沿巷道開挖中心線呈近似對稱分布。在方案1的支護(hù)條件下,巷道圍巖垂直應(yīng)力主要集中在巷道的兩側(cè),垂直應(yīng)力邊界線在巷道寬度的2倍范圍內(nèi),巷道頂板最大垂直應(yīng)力為1.0 MPa,兩幫最大垂直應(yīng)力為13.9 MPa.在方案2的支護(hù)條件下,巷道圍巖垂直及垂直應(yīng)力邊界線同方案1相比沒有發(fā)生變化,巷道頂板最大垂直應(yīng)力為1.2 MPa,兩幫最大垂直應(yīng)力為13.95 MPa.在方案3的支護(hù)條件下,巷道圍巖垂直應(yīng)力主要集中在巷道的兩側(cè),垂直應(yīng)力邊界線較方案1、2增加1 m,巷道頂板最大垂直應(yīng)力為1.4 MPa,兩幫最大垂直應(yīng)力為14.03 MPa.方案2在方案1減少2根頂錨桿的前提下,巷道頂板最大垂直應(yīng)力增加了20%,巷道兩幫最大垂直應(yīng)力增加了0.3%.方案3在方案1減少2根幫錨桿的前提下,巷道頂板最大垂直應(yīng)力增加了40%,巷道兩幫最大垂直應(yīng)力增加了0.93%.在頂錨桿減少2根的前提下,巷道頂板最大垂直應(yīng)力幾乎呈線性增長,兩幫最大垂直應(yīng)力呈幾何增長。在幫錨桿減少2根的前提下,巷道圍巖最大垂直力和水平應(yīng)力區(qū)域影響范圍沒有發(fā)生明顯變化。

圖3 不同支護(hù)方案下巷道垂直應(yīng)力

2.4 不同支護(hù)方案下巷道圍巖位移規(guī)律

不同支護(hù)方案下的巷道圍巖位移分布規(guī)律見圖4.在方案1的支護(hù)條件下,巷道圍巖頂板最大位移量為27 mm.在方案2的支護(hù)條件下,巷道圍巖頂板最大位移量為27.2 mm.在方案3的支護(hù)條件下,巷道圍巖頂板最大位移量為27 mm.方案2在方案1減少2根頂錨桿的前提下,巷道頂板最大位移量增加了0.7%,方案3在方案1減少2根幫錨桿的前提下,巷道頂板最大位移沒有發(fā)生變化。

圖4 不同支護(hù)方案下巷道頂板位移

現(xiàn)場實(shí)測中,12301膠帶巷用φ30 mm鉆頭分別打3 m淺基點(diǎn)、9 m深基點(diǎn)鉆孔,安裝頂板離層儀。通過頂板離層儀兩個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)得出,12301膠帶巷1 043 m處離層儀的數(shù)值最大,深基點(diǎn)離層儀最大數(shù)值為24.5 mm,實(shí)驗仿真與現(xiàn)場離層儀實(shí)測最大位移相差2.5 mm,淺基點(diǎn)離層儀最大數(shù)值為6.8 mm.離層儀數(shù)據(jù)隨時間變化的關(guān)系如圖5所示。

圖5 頂板離層儀監(jiān)測位移曲線圖

2.5 不同支護(hù)方案下巷道圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律

不同支護(hù)方案下的巷道圍巖塑性區(qū)變化共同點(diǎn)為:塑性區(qū)拉伸、剪切破壞區(qū)域沿巷道開挖中心線呈近似對稱分布,巷道頂部的塑性區(qū)破壞范圍要大于兩幫的塑性區(qū)范圍。方案2巷道圍巖過去發(fā)生剪切破壞區(qū)域的范圍較方案1增加20%,方案3巷道圍巖過去發(fā)生剪切破壞區(qū)域的范圍較方案1增加30%,較方案2增加8.3%.巷道頂板減少2根錨桿對巷道圍巖發(fā)生剪切破壞的影響范圍遠(yuǎn)小于同等條件下的巷道兩幫減少2根錨桿。3種方案下巷道圍巖塑性區(qū)見圖6.

圖6 不同支護(hù)方案下巷道圍巖塑性區(qū)

3 結(jié) 語

1) 方案2在方案1減少2根頂錨桿的前提下,巷道頂板最大垂直應(yīng)力增加了20%,巷道兩幫最大垂直應(yīng)力增加了0.3%.方案3在方案1減少2根幫錨桿的前提下,巷道頂板最大垂直應(yīng)力增加了40%,巷道兩幫最大垂直應(yīng)力增加了0.93%.

2) 頂錨桿減少2根的前提下,巷道頂板最大垂直應(yīng)力幾乎呈線性增長,兩幫最大垂直應(yīng)力呈幾何增長。幫錨桿減少2根,巷道圍巖最大垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力區(qū)域影響范圍沒有發(fā)生明顯變化。

3) 巷道頂板減少2根錨桿對巷道圍巖發(fā)生剪切破壞的影響范圍遠(yuǎn)小于同等條件下的巷道兩幫減少2根錨桿。

4) 方案2在方案1減少2根頂錨桿的前提下,巷道頂板最大垂直應(yīng)力增加了20%,巷道兩幫最大垂直應(yīng)力增加了0.3%.經(jīng)研究,在巷道圍巖屬性不變的前提下,12301膠運(yùn)巷可以采用方案2進(jìn)行支護(hù),該方案可降低巷道頂板25%的支護(hù)成本,有效解決12301膠運(yùn)巷道頂板過度支護(hù)問題。

5) 本研究可為相似地質(zhì)條件的巷道支護(hù)提供參考和借鑒。