深井軟巖巷道圍巖變形數(shù)值模擬及支護(hù)優(yōu)化

王應(yīng)帥，孟祥瑞，高召寧

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

采選技術(shù)

深井軟巖巷道圍巖變形數(shù)值模擬及支護(hù)優(yōu)化

王應(yīng)帥，孟祥瑞，高召寧

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在淮南某礦-960m北翼C13底板軌道大巷圍巖的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的實驗測試值以及現(xiàn)場圍巖變形觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，運用Flac3D軟件進(jìn)行模擬計算，分析了該深井軟巖巷道圍巖的變形特性。模擬和監(jiān)測表明：兩幫收縮和底臌是深井軟巖巷道圍巖的主要變形，其中巷道底板的有效控制是保證巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。提出了以改進(jìn)初次支護(hù)強(qiáng)度和增大底角錨桿角度、增加錨桿密度并配合全斷面注漿為主要技術(shù)特點的支護(hù)方案。現(xiàn)場實踐結(jié)果表明，該支護(hù)方案較適用于深井軟巖巷道。

深井；軟巖巷道；數(shù)值模擬；支護(hù)優(yōu)化

軟巖巷道的有效支護(hù)是巷道支護(hù)的難題[1-3]。我國60%以上的煤炭資源埋深在800m以下，目前，我國煤礦開采深度平均以每年8～12m的速度增加，東部礦井正以每年10～25m的速度發(fā)展[4-6]。淮南某礦井開采深度接近1000m，巷道圍巖變形呈現(xiàn)軟巖特征，主要開拓及采準(zhǔn)巷道支護(hù)困難。在原支護(hù)設(shè)計方案下，巷道的支護(hù)效果不理想，巷道變形嚴(yán)重，穩(wěn)定性很差，平均1～2個月要進(jìn)行返修一次，影響礦井的正常生產(chǎn)。對該礦-960m 北翼C13底板軌道大巷進(jìn)行了觀測和巷道表面位移的監(jiān)測，通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析巷道圍巖變形的特性，并利用數(shù)值模擬軟件對原錨網(wǎng)索噴支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，提出了改進(jìn)初次支護(hù)強(qiáng)度，加大底角錨桿角度、適當(dāng)增加錨桿密度并在優(yōu)化錨網(wǎng)索噴支護(hù)的基礎(chǔ)上全斷面注漿的支護(hù)方案。

1 巷道工程概況

-960m北翼C13底板軌道大巷埋深987m，巷道斷面為直墻半圓拱形，規(guī)格為寬×高=5.8m×4.7m。主要是采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)方式，其中錨桿為Φ22mm×2450mm左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼，錨桿間排距為800mm×800mm，采用矩形方式布置；網(wǎng)片是孔尺寸為100mm×100mm的金屬編織菱形網(wǎng)格，網(wǎng)片的規(guī)格為長×寬=1600mm×1200mm，錨索為Φ17.8mm×6500mm的鋼絞線,間排距為2400mm×2400mm，噴層厚度為100mm。所監(jiān)測區(qū)段處巷道圍巖主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖和細(xì)砂巖，大部分圍巖巖性較為松散，穩(wěn)定性較差，巖層存在破裂區(qū)。實驗室所測得的圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 巷道圍巖變形監(jiān)測

使用JSS30A型數(shù)顯收斂計，在巷道左、右兩幫和頂、底板分別設(shè)置4個測點，觀測斷面按十字形法布置，在巷道圍巖表面4個測點處分別用鉆機(jī)鉆孔施工一個巷道表面收斂測點。選擇條件相近的巷道段依次布置3個監(jiān)測站，對連續(xù)6個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理，巷道表面位移隨時間變化如圖1所示。

表1 圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)

圖1 巷道變形監(jiān)測圖

從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果來看，3個監(jiān)測站兩幫變形與底臌量均大于頂板變形，兩幫收縮和底臌是巷道的主要變形。在巷道開挖早期，巷道圍巖表面收斂速率較大，接近6mm/d，經(jīng)永久支護(hù)以后，收斂速率逐漸減小為0.5～0.8mm/d左右，圍巖穩(wěn)定性雖得到了一定的控制，但變形仍未停止。這說明原有的支護(hù)方式是不理想的，需對支護(hù)方式進(jìn)行改進(jìn)，對相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 巷道圍巖變形數(shù)值模擬

為深入探究深井軟巖巷道圍巖變形特性，為相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計提供合適方案，運用Flac3D對-960m北翼C13底板軌道大巷在開挖無支護(hù)狀態(tài)和原錨網(wǎng)索噴支護(hù)下的圍巖破壞情況進(jìn)行模擬。

根據(jù)已有經(jīng)驗，所建立的模型長×高=52m×33m，共75480個單元，85324個節(jié)點。巷道形狀為直墻半圓拱形，其中直墻高1.8m，拱半徑為2.9m。邊界條件為：模型底面z方向位移為0，左右兩個面x方向位移為0，前后兩個面y方向位移為0；上表面為自由邊界，根據(jù)現(xiàn)場-960m水平砂巖中的主應(yīng)力測量結(jié)果，模型上表面施加22MPa的豎直應(yīng)力。對所模擬巷道拱頂中部、底板中部和左右兩幫中部單元節(jié)點位移進(jìn)行監(jiān)測。圍巖主要力學(xué)參數(shù)見表1，模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 應(yīng)力分布云圖

圖3 塑性區(qū)分布圖

所模擬的巷道支護(hù)方案為：巷道頂部和兩幫采用Φ22mm×2450mm高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為0.8m×0.8m，錨桿鉆孔孔徑為Φ28mm，每孔采用兩卷Z2350型樹脂錨固劑，錨桿預(yù)緊力≥60kN。巷道底板打入底角錨桿，其角度為45°。錨索采用Φ17.8mm×6500mm鋼絞線，錨索鉆孔孔徑為Φ32mm，每孔采用四卷Z2850樹脂錨固劑，錨固長度1.93m，錨索預(yù)緊力≥100kN。噴層厚度為100mm，其中，初噴60mm，復(fù)噴40mm，噴層強(qiáng)度≥C20。

模擬結(jié)果表明：①從應(yīng)力分布云圖看出，巷道開挖之后，應(yīng)力重新分布，水平應(yīng)力較豎直應(yīng)力大，支護(hù)后與支護(hù)前相比，圍巖松動破裂區(qū)強(qiáng)度有所提高，但效果不是非常顯著；②從塑性區(qū)分布情況看出，塑性區(qū)主要集中在底板和兩幫，底板塑性區(qū)比拱頂和兩幫塑性區(qū)范圍要大，在經(jīng)過支護(hù)以后，巷道塑性區(qū)范圍明顯縮小，拱頂和兩幫改變尤其明顯；③底角錨桿在一定程度上控制了底臌的現(xiàn)象，但底板仍存在較大范圍塑性區(qū)，可能是底角錨桿角度不合理導(dǎo)致的，仔細(xì)觀察可以看出塑性區(qū)主要集中在底板靠近底角的位置，據(jù)此推測適當(dāng)增大底角錨桿的角度支護(hù)效果會更理想；④四個關(guān)鍵點位移監(jiān)測表明，所模擬的結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果一致，即兩幫收縮和底臌是巷道的主要變形，且兩幫變形量大于頂板下沉量，支護(hù)后的巷道表面變形得到一定的控制，總支護(hù)效果為30%；⑤高應(yīng)力下，巷道圍巖破壞區(qū)域較大，在經(jīng)過支護(hù)的情況下，巷道兩幫和底板仍存在較顯著塑性區(qū)，表明原有錨索網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)已經(jīng)不滿足深井破碎軟巖巷道的支護(hù)要求。

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計及實踐應(yīng)用

基于現(xiàn)場調(diào)查觀測和數(shù)值模擬分析，結(jié)合該礦所觀測的巷道破壞的具體狀況，提出該礦深井軟巖巷道圍巖的優(yōu)化控制方案，并在-960m水平水泵房通道進(jìn)行相關(guān)的試驗。在理論分析與現(xiàn)場試驗結(jié)合的基礎(chǔ)上，指出深井大斷面巷道圍巖控制的關(guān)鍵是保證巷道底板的穩(wěn)定，底角錨桿的角度應(yīng)適當(dāng)增大，錨桿密度適當(dāng)增加。同時針對錨網(wǎng)噴支護(hù)將錨桿的長度適當(dāng)減少，兩幫的錨桿密度適當(dāng)增加并配合全斷面注漿。具體的支護(hù)參數(shù)和注漿參數(shù)見表2和表3。

表2 支護(hù)參數(shù)

表3 注漿參數(shù)

選用方案2為最終優(yōu)化方案，考慮到圍巖巖性松散，已經(jīng)產(chǎn)生破裂區(qū)，在錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)之上，對斷面進(jìn)行注漿，其中對底板進(jìn)行深、淺孔依次注漿，提高底板的穩(wěn)定性。同時兩幫及拱頂采用深孔注漿。通過數(shù)值模擬可以知道，巷道圍巖塑性區(qū)范圍顯著減小，底板減小尤為明顯，應(yīng)力向巷道深部集中的現(xiàn)象沒有發(fā)生，說明在底板注漿后，相當(dāng)于增設(shè)了底板錨桿。新方案調(diào)整了噴層厚度和初噴、復(fù)噴時間間隔，初噴厚度增加至70mm，在打錨桿、錨索和掛網(wǎng)后復(fù)噴50mm。對新方案施工后的巷道進(jìn)行了連續(xù)5個月的監(jiān)測，其中底臌量不明顯，頂板最大下沉量為20mm，較原支護(hù)減少了82%；兩幫移近量為40mm，較原支護(hù)減少了78%。可見新方案取得了較為理想的支護(hù)效果。所監(jiān)測的試驗巷道表面位移如圖4所示。

圖4 新支護(hù)方案巷道變形監(jiān)測

5 結(jié)論

1) 深井軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性較差，不合理的支護(hù)形式將導(dǎo)致圍巖破裂區(qū)進(jìn)一步增大，使巷道變形加劇，巷道開挖后應(yīng)馬上初噴，在錨索網(wǎng)支護(hù)后及時復(fù)噴。

2)兩幫收縮和底臌是深井軟巖巷道圍巖的主要變形，可在支護(hù)時選用長度較短的高強(qiáng)度錨桿，增大底角錨桿角度并適當(dāng)增加錨桿密度。

3)深井軟巖巷道圍巖控制的關(guān)鍵是保證巷道底板的穩(wěn)定，在優(yōu)化底角錨桿的同時，進(jìn)行底板深、淺孔依次注漿，進(jìn)一步增強(qiáng)底板穩(wěn)定性。

4)高應(yīng)力下，且巷道圍巖巖性較為松散時，原有的錨索網(wǎng)噴支護(hù)已不滿足深井軟巖巷道圍巖的支護(hù)要求，可在改進(jìn)原支護(hù)的基礎(chǔ)上增加全斷面注漿的方式，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。

[1] 何滿潮，孫曉明.中國煤礦軟巖巷道工程支護(hù)設(shè)計與施工指南 [M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2] 高召寧，孟祥瑞.深井高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞及支護(hù)對策 [J].中國煤炭，2007(1):8-11.

[3] 李 剛，梁冰，張國華.高應(yīng)力軟巖巷道變形特征及其支護(hù)參數(shù)設(shè)計 [J].采礦與安全工程學(xué)報，2009(2):183-186.

[4] 朱杰，汪仁和，林斌.深埋巷道圍巖多次破裂現(xiàn)象與裂隙張開度研究 [J].煤炭學(xué)報，2010(6):887-890.

[5] 陳光炎，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.138-140.

[6] 何滿潮.軟巖巷道工程概論 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1993：236-242.

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我國鐵礦石對外依存度升至78.5%

中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會常務(wù)副會長朱繼民日前在北京透露，中國鐵礦石的對外依存度進(jìn)一步提高到78.5%，同比提高9.7%。

“鐵礦石對外依存度過高會使中國鋼鐵行業(yè)的國際話語權(quán)和安全性等受到挑戰(zhàn)。”朱繼民說。

數(shù)據(jù)顯示，2014年，中國進(jìn)口鐵礦石9.33億t，同比增長13.8%。其中，12月份中國進(jìn)口鐵礦石8685萬t，環(huán)比增加1945萬t，增長28.9%。

當(dāng)年，國內(nèi)鐵礦石原礦產(chǎn)量15.1億t，同比增加5686萬t，增長3.9%，其中12月份國內(nèi)鐵礦石產(chǎn)量1.26億t，同比下降4.6%，連續(xù)3個月環(huán)比下降。

朱繼民透露，鐵礦石港口庫存自5月份達(dá)到峰值后，已連續(xù)7個月出現(xiàn)小幅下滑。去年12月末港口庫存為9824萬t，較年初增長約1100萬t，進(jìn)入2015年港口庫存一直在9800萬t左右波動。

此外，2014年鐵礦石價格也整體保持下跌走勢。全年鐵礦石進(jìn)口均價為100.42美元/t，同比每噸下降29.2美元。12月份鐵礦石進(jìn)口平均價格為75.61美元/t，環(huán)比每噸下降4.05美元。

Surrounding rock deformation numerical simulation and support optimization of soft rock roadway in deep mine

WANG Ying-shuai，MENG Xiang-rui，GAO Zhao-ning

(School of Mining and Safety，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

Based on the laboratory test results of the physics and mechanics properties of surrounding rock of -960m north wing C13 track roadway，by using the Flac3Dsimulation software to analyze the soft rock roadway surrounding rock deformation properties in deep mine.The research shows that the deformation of the two sidewalls and the floor heave are the main deformation of soft rock roadway in deep mine，the stability of roadway floor is the key of the surrounding rock control.The new supporting scheme put forward strengthening the early support strength，increase the angle of the floor anchor，increase the intensity of the bolt and apply the full-face grouting technology.Field application show that the supporting scheme for soft rock roadway in deep mine is feasible.

deep mine；soft rock roadway；numerical simulation；support optimization

2014-04-11

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51174005；51274008；51374013)

王應(yīng)帥(1987- )，男，安徽淮南人，碩士研究生，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。E-mail：ashuai545@qq.com。

TD825.3

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1004-4051(2015)02-0099-04