基于FLAC3D的運(yùn)輸平巷支護(hù)技術(shù)研究

李 剛

(山西潞安集團(tuán) 潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

隨著煤礦開采技術(shù)與開采設(shè)備的不斷革新進(jìn)步，工作面開采速度越來越快，為滿足工作面銜接要求，需提前對下一工作面回采巷道進(jìn)行布置，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)一般采用工程類比法、理論分析法、數(shù)值模擬等方法[1-2]，然而采用單一巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法易對工程實(shí)際情況考慮不足[3].

針對單一巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方法存在的不足，以潞寧孟家窯煤礦即將布置的工作面運(yùn)輸平巷為研究背景，通過地質(zhì)資料調(diào)查、巷道圍巖等級確定、數(shù)值模擬方法確定巷道支護(hù)方案，并通過現(xiàn)場實(shí)測檢驗(yàn)支護(hù)方案效果。

1 工程地質(zhì)概況

山西潞寧孟家窯礦位于山西省忻州市寧武縣，準(zhǔn)回采工作面水平標(biāo)高為+960～+1 020 m，工作面平均埋深350 m，煤層厚度4 m，傾角為3°～9°，屬近水平煤層，煤層頂板為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、粉砂巖。所需支護(hù)巷道為運(yùn)輸平巷，布置在煤層中，巷道為矩形，尺寸為長4 m×高3.2 m. 影響巷道支護(hù)安全的地質(zhì)情況主要為頂板含水砂巖，該層主要水量為多年沉積水，因此巷道掘進(jìn)支護(hù)過程中，需要提前進(jìn)行探掘。巷道布置圖見圖1.

圖1 巷道布置圖

2 巷道圍巖等級確定及支護(hù)參數(shù)選擇

為確定巷道圍巖等級，在巷道兩幫及頂?shù)装邈@孔取芯，制成圓柱形試件，運(yùn)用WED-50型壓力試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究巷道兩幫及頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)特性。巷道兩幫及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見表1.

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲得運(yùn)輸平巷圍巖等級確定相關(guān)指標(biāo)：頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度16.6 MPa；底板巖石單軸抗壓強(qiáng)度15.8 MPa；兩幫煤層單軸抗壓強(qiáng)度5.82 MPa；巷道埋深350 m；護(hù)巷煤柱寬度50 m；采動(dòng)影響系數(shù)1.56；圍巖完整性指數(shù)15. 根據(jù)圍巖等級分類指標(biāo)[4]，得出：巷道埋深350 m、護(hù)巷煤柱寬度50 m時(shí)，巷道圍巖等級為Ⅱ類。錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范推薦的Ⅱ類巷道支護(hù)基本形式為[5]：錨桿+網(wǎng)+錨索+鋼帶；支護(hù)參數(shù)為：d20～24 mm錨桿，錨桿長度2.0～2.4 m，錨桿排間距0.8～1.0 m.

表1 巷道兩幫及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型建立

為研究運(yùn)輸平巷的支護(hù)效果，運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對巷道支護(hù)效果進(jìn)行分析。建立的數(shù)值模擬模型長60 m×寬50 m×高28 m，模型共有45 600個(gè)單元，共包含51 909個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，模型上部邊界為自由邊界，上覆巖層以載荷形式加載，為8.325 MPa，下部邊界限制X、Y、Z方向位移，四周邊界限制水平方向位移。建立模型所需的巖石力學(xué)參數(shù)見表1，所建立的數(shù)值模型圖見圖2.

圖2 數(shù)值模型圖

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況與巷道圍巖等級，以及相應(yīng)的錨桿支護(hù)參數(shù)，設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案。錨桿長度選擇2.4 m，可將錨桿錨固到比較堅(jiān)硬的細(xì)砂巖頂板中；錨索長度選擇7.5 m，可將錨索錨固到比較堅(jiān)硬的細(xì)砂巖頂板中。運(yùn)輸平巷支護(hù)設(shè)計(jì)圖見圖3.

頂板錨索：d21.6 mm×7 500 mm，預(yù)緊力為20 kN，錨索排間距為1.6 m×1.6 m.

圖3 運(yùn)輸平巷支護(hù)設(shè)計(jì)圖

頂板錨桿：d22 mm×2 400 mm，預(yù)緊力為40 kN，錨桿排間距為0.8 m×0.8 m，頂角處錨桿與垂直方向夾角為20°.

兩幫錨桿：d22 mm×2 400 mm，預(yù)緊力為30 kN，錨桿排間距為0.8 m×0.8 m.

3.2 模擬結(jié)果分析

為研究運(yùn)輸平巷支護(hù)效果，分別模擬巷道有無支護(hù)兩種情況下巷道圍巖塑性區(qū)范圍、圍巖應(yīng)力，以及巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?。模擬完成后，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，兩種情況下的巷道圍巖破壞情況見圖4.

圖4 有無支護(hù)情況下的圍巖破壞情況圖

由圖4可以看出：巷道未支護(hù)時(shí)，巷道頂?shù)装迤茐纳疃葹?.5 m，兩幫破壞深度為2 m，巷道破壞嚴(yán)重；當(dāng)采取支護(hù)時(shí)，巷道頂?shù)装迤茐纳疃葹? m，兩幫破壞深度為1 m，巷道破壞深度比未支護(hù)時(shí)有明顯減小，說明支護(hù)效果明顯。

兩種情況下的圍巖垂直應(yīng)力分布見圖5. 由圖5可以看出：巷道支護(hù)后，支護(hù)范圍內(nèi)的巷道頂板最大垂直應(yīng)力為5.25 MPa，比不支護(hù)時(shí)的巷道頂板最大應(yīng)力6.5 MPa減小了19.2%；支護(hù)范圍內(nèi)的巷道兩幫最大水平應(yīng)力為3.5 MPa，比不支護(hù)時(shí)的巷道兩幫最大水平應(yīng)力6.5 MPa減小了46.2%. 說明巷道支護(hù)后支護(hù)范圍內(nèi)的應(yīng)力由于錨桿錨索的作用轉(zhuǎn)移到了距離巷道較遠(yuǎn)處，保持了巷道的穩(wěn)定。

圖5 有無支護(hù)情況下的圍巖應(yīng)力分布圖

兩種情況下的圍巖頂?shù)装寮皟蓭鸵平恳妶D6. 由圖6可以看出：巷道支護(hù)時(shí)，巷道頂?shù)装逡平繛?.13 m，比不支護(hù)時(shí)的巷道頂?shù)装逡平?.4 m減小了67.5%；巷道支護(hù)時(shí)，巷道兩幫移近量為0.12 m，比不支護(hù)時(shí)的巷道頂?shù)装逡平?.6 m減小了80%. 支護(hù)后巷道變形不明顯，支護(hù)效果顯著。

圖6 有無支護(hù)情況下的圍巖頂?shù)装寮皟蓭鸵平繄D

4 現(xiàn)場實(shí)測

為驗(yàn)證巷道支護(hù)效果，在巷道掘進(jìn)支護(hù)施工期到巷道變形穩(wěn)定期(共計(jì)45天)對巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7.

圖7 巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平壳€圖

由圖7可以看出：0～28天為巷道急劇變形期，29～45天為巷道變形穩(wěn)定期；巷道頂?shù)装逡平繛?.16 m，兩幫移近量為0.14 m. 巷道變形較小，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明巷道支護(hù)效果較好。

5 結(jié) 論

1) 經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查與實(shí)驗(yàn)室力學(xué)測試試驗(yàn)結(jié)合得出，準(zhǔn)回采工作面運(yùn)輸平巷圍巖等級屬于Ⅱ類圍巖。

2) 巷道選用“錨索+錨桿+網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方案，數(shù)值模擬得出巷道圍巖塑性區(qū)與頂?shù)装寮皟蓭鸵平枯^小，支護(hù)控制效果明顯。

3) 經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測得出，巷道圍巖變形較小，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明巷道支護(hù)效果較好。