紫晟煤業總回風巷斷面優化設計研究

楊小兵

(霍州煤電集團有限責任公司 豐峪煤業有限責任公司,山西 霍州 031400)

煤礦開采過程中,各類巷道的穩定性及其安全控制問題一直都是礦井安全生產的薄弱之處[1-3],尤其對于開拓類巷道,巷道斷面大、長度長、服務年限長,受地質條件多變的影響而支護方式復雜,各種問題層出不窮,尤其是巷道斷面形狀的選擇,不僅對巷道整體穩定性起絕對作用,而且還將影響合理支護方式的選擇[4-8]。目前,國內學者針對深部高地應力、“三軟”煤層、沖擊地壓等諸多復雜情況下巷道斷面穩定問題進行了卓有成效的研究,為本文的研究提供了堅實的理論基礎[9-13]。紫晟煤業總回風巷沿底掘破頂施工,煤層薄、巷道高,巷道圍巖軟硬性質差異較大,且服務年限長、通風要求高,對大斷面總回風巷穩定性及支護控制的要求很高,因此研究其斷面布置形式及相應的支護技術,具有重要的現實工程應用價值。

1 工程背景

紫晟煤業隸屬于霍州煤電集團有限責任公司,地面標高600 m～556 m,礦井總回風巷標高260 m～170 m,黃土覆蓋厚度為41 m～80 m,基巖平均厚度為230 m。巷道直接頂板為泥巖,厚7.0 m～18.0 m;基本頂為細砂巖,厚2.4 m;直接底為泥巖,厚6.0 m～8.8 m;基本底為中粒砂巖,厚3.5 m～4.0 m。總回風巷道所處位置煤巖層綜合柱狀圖見圖1。

圖1 巷道綜合柱狀Fig.1 Stratum histogram of roadway

總回風巷西部為1999年采空區,距離采空區45 m～75 m,涌水量15 m3/h,東部為落差30 m斷層及2000年、2005年采空區,距采空區40 m～45 m,涌水量較小;上覆各砂巖層含水層賦存有裂隙水,但含水性微弱;下覆奧灰巖溶水富水性強,屬于帶壓開采區域。紫晟煤業2#煤層為瓦斯煤層,具有煤塵爆炸性。

2 總回風巷道的斷面優化設計選擇

2.1 斷面優化設計

為探究紫晟煤業總回風巷道的最優斷面形式,采用FLAC3D軟件進行不同斷面形狀的數值仿真模擬,進而分析掘進與回采影響時總回風巷的變形和塑性區的分布狀況,以此確定巷道的最優斷面形式。設計巷道斷面有斜梯形巷道、半圓拱形巷道和圓形巷道三種形式,巷道布置在煤層中,破頂掘進,其橫向尺寸為5.1 m,縱向尺寸為5.0 m。數值模型如圖2所示,煤巖物理力學參數如表1所示。

圖2 FLAC3D三維數值模擬模型Fig.2 FLAC3Dnumerical simulation model

表1 巷道煤巖物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock in roadway

本模型左右及下邊界固定,在模型上表面施加7.5 MPa的荷載,模擬紫晟煤業總回風巷上方300 m的巖體自重的作用。工程巖體的物理力學計算參數按照相鄰礦井參數進行賦值。模擬過程中巖石采用Mohr-Coulomb破壞準則,深入揭示不同斷面巷道在掘進條件下圍巖變形特征及圍巖塑性區分布規律。

2.2 數值模擬結果及分析

2.2.1巷道圍巖變形特征

在巷道模型中沿著巷道頂板、底板與幫部方向分布設置了長度100 m的4條監測線(兩幫各一條),在頂、底板監測線上均勻布置了20個監測點,在幫部監測上均勻布置了40個監測點,不同斷面形狀巷道圍巖變形監測線上的監測數據如圖3所示。

圖3 不同斷面形狀巷道圍巖位移變化曲線Fig.3 Displacement curve of surrounding rock under different sections

根據圖3可知,斜梯形巷道兩幫位移均高于圓形巷道及半圓拱形巷道兩幫位移,這主要由于隨著掘進面的推進,巷道及圍巖受偏心壓力作用,而斜梯形巷道受偏心壓力影響較大,主要由兩幫承壓,兩幫和底角容易剪切破壞,導致位移較大。總體來看,圓形巷道、斜梯形巷道、半圓拱形巷道3種巷道圍巖表面位移的分布規律基本一致。斜梯形斷面頂、底板及兩幫變形量均大于圓形巷道及半圓拱形巷道,其中以巷道底鼓量與兩幫變形量較為明顯。

2.2.2巷道圍巖塑性區分布

巷道開挖后引起巷道圍巖應力重新分布,并且巷道圍巖應力分布不均勻,應力不斷從巷道周邊向圍巖深部轉移,不同斷面形狀巷道圍巖塑性區分布如圖4所示。

圖4 不同斷面形狀巷道圍巖塑性區分布Fig.4 Plastic zone distribution of surrounding rocks with different sections

由圖4可知,圓形巷道、半圓拱形巷道、斜梯形巷道3種巷道左右兩幫塑性區發育均為4 m ～5 m,底部塑性區發育分別為3.5 m、4.0 m和5.0 m,頂部塑性區的分布基本一致。在自重應力的作用下,巷道圍巖的破壞首先從巷道的幫角、底角等關鍵部位開始,先在巷道頂、底板及兩幫中先產生局部的剪切破壞帶,然后局部剪切破壞帶相互連接、貫通,逐漸形成區域范圍較大的塑性破壞損傷區。巷道圍巖的破壞以剪切破壞為主,隨著巷道斷面形狀越光滑,巷道圍巖的拉伸屈服區域逐漸減少,直至消失。此外,在自重應力的作用下,巷道圍巖底板的塑性破壞區范圍略大于巷道圍巖兩幫的塑性破壞區范圍,而三種斷面巷道的頂板塑性區均較小。梯形巷道塑性區范圍較大,半圓拱形巷道、圓形巷道塑性區范圍相對較小,并且分布較為均勻。由“等效開挖”理論[14-15]知,可將3種巷道圍巖塑性區劃分成“無效加固區”,這部分不具備承載能力但必須支護,如圖5所示。

圖5 不同斷面巷道“無效加固區”大小Fig.5 Invalid reinforcement area size in different section roadways

整體來看,在同種地質條件下,不同斷面形狀巷道圍巖位移及塑性區的分布規律基本一致,但是也有一定的區別。圓形巷道和半圓拱形巷道變形特征、塑性區大小基本趨于一致,且優于斜梯形巷道。此外,由“等效開挖”理論知,巷道斷面開挖后,斜梯形巷道其無效加固區范圍較大,容易受壓破壞。

2.2.3不同支護方案數值比較分析

為驗證不同支護方案對總回風巷支護效果的差異性,以半圓拱巷道為基礎,設計五種不同巷道支護方案,具體參數如表2所示。

表2 不同支護方案設計Table 2 Supporting designs

其中幫錨桿參數保持不變,頂錨桿與錨索分別在錨桿型號、間排距、錨固深度方面進行區別。計算結束后,巷道圍巖變形量分別監測頂板向上4 m內的頂板下沉量和巷道幫部向煤體深部4 m內的水平變形量,如圖6所示。

6-a 頂板下沉量

6-b 巷道變形量圖6 不同支護方案巷道變形監測數據Fig.6 Deformation monitoring data with different supporting plans

根據不同方案的模型巷道圍巖變形監測值可知,巷道頂板位置處的頂板下沉量最大值為方案五時的197 mm,其次是方案三的185 mm、方案二的169 mm、方案四的156 mm和方案一的148 mm,隨著頂板監測位置的升高,不同方案下的頂板下沉量呈現大致相同規律的較小,在巷道頂板4 m位置處,頂板下沉量最小值為方案一的38 mm;巷道幫部的水平變形量反映了幫部煤體向內擠壓變形的嚴重程度,巷幫位置處的水平位移最大值為方案二的145 mm,其次為方案五的140 mm、方案四的136 mm、方案三的132 mm和方案一的121 mm,隨著監測位置向煤體深部的延伸,水平位移變化量整體呈現減小趨勢,整體來看,方案一的變化最為穩定。

3 總回風巷支護及變形監測

按照數值模擬研究可知,總回風巷的斷面選擇為半圓拱形斷面,紫晟煤業采用該斷面掘進,毛寬5.3 m、凈寬5.1 m,毛高5.05 m、凈高4.95 m,設計支護斷面如圖7所示。

圖7 巷道斷面支護布置及參數Fig.7 Supporting layout and parameters for roadway sections

支護采用錨噴支護,拱部錨桿全采用Φ22 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿,每排11根,排間距為700 mm×700 mm,每孔Z2388和CK2360樹脂錨固劑各1卷,選用2根3.5 m的桁架搭接施工;墻部錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼高強錨桿,每排每幫4根,排間距為700 mm×700 mm,每孔Z2388樹脂錨固劑1卷,選用2.8 m的桁架,墻部最下一根錨桿角度與巷幫為74°;錨索規格為Φ17.8 mm×8 500 mm鋼絞線,每孔Z2388樹脂錨固劑3卷;錨索每排3根,排間距為2.1 m×1.6 m；全斷面鋪設長×寬=2 m×0.9 m的鋼筋網,鋼筋網孔規格為長×寬=70 mm×70 mm,聯網絲采用16#鍍鋅鐵絲,噴漿厚度為100 mm。

為探究巷道斷面及支護形式的有效性,在巷道圍巖內布置測站監測變形情況。巷道表面位移監測采用“十字布點法”,利用鋼卷尺或測槍進行監測。測站的監測周期為3周,在斷面支護完成后進行,其頂板下沉量與兩幫收斂量如圖8所示。

從圖8可知,總回風巷完成支護后,在3周內,頂板下沉速率逐漸降低,下沉量基本維持在200 mm,兩幫收斂量基本維持在150 mm,整體而言,巷道圍巖變形速率呈收斂狀態,說明總回風巷道斷面選擇和支護設計是合理的。

8-a 頂板下沉量

8-b 兩幫收斂量圖8 監測數據圖Fig.8 Monitoring data

4 結論

1)根據數值模擬結果,圓形巷道最為穩定、無效加固區最小,斜梯形巷道圍巖效果最差,但圓形巷道施工較復雜,實際施工中應兼顧經濟性和安全性選擇半圓拱形斷面。

2)紫晟煤業總回風巷施工選擇半圓拱形巷道加錨噴支護方式,圍巖變形監測顯示圍巖變形速率逐漸減小,巷道穩定性得到了有效控制。