孤島綜放面回采順槽支護(hù)數(shù)值的模擬研究

張懿超

（西山煤電集團(tuán)屯蘭礦， 太原 古交 030206）

引言

在近年來(lái)的煤礦開(kāi)采中，由于很多礦區(qū)出現(xiàn)了大量的孤島綜放面，其回采順槽掘進(jìn)工程量也相應(yīng)增加。但從該種情況下的工作面采場(chǎng)情況和回采順槽礦壓顯現(xiàn)情況來(lái)看，對(duì)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)并沒(méi)有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)；另外考慮地質(zhì)因素，工作面受多次采動(dòng)的影響，回采順槽的圍巖應(yīng)力情況復(fù)雜，變化較大。本文通過(guò)對(duì)該條件下的回采順槽的圍巖變化機(jī)理及其支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，找出適用該種類型的支護(hù)體系，以提高順槽的安全性。

1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)方案

1.1 有限元模型的建立

通過(guò)有限元數(shù)值模擬FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)云崗礦實(shí)際地質(zhì)情況建立有限元模型。采用應(yīng)變軟化模型模擬回采順槽的直接頂板、直接底板，其余巖層采用摩爾庫(kù)侖模型進(jìn)行研究[1]。回采順槽布置在煤層中，右側(cè)為采煤工作面，面長(zhǎng)為150 m，左側(cè)為開(kāi)采煤層。巷道斷面為矩形，寬約4.6 m，高約3.5 m，沿開(kāi)采煤層底板走向掘進(jìn)，頂部留設(shè)3 m左右的頂煤。固定模型的前、后、左、右及下部為邊界，暫考慮模型沒(méi)有水平移動(dòng)。通過(guò)礦方實(shí)測(cè)的地應(yīng)力情況，模型設(shè)定的應(yīng)力條件分別為σx=16 MPa，σy=16 MPa，σz=12MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的地質(zhì)資料，本模型建立了7種不同性質(zhì)的巖層，詳見(jiàn)如表1所示的模型地質(zhì)柱狀表。

1.2 鋪桿間距

描桿間距的模擬共分8個(gè)有限元模型，分別為0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m。以表2中錨桿參數(shù)設(shè)定，回采順槽頂板左右邊窩處布置錨桿角度為10°，左右?guī)偷啬_處布置錨桿角度為20°，得到模擬結(jié)果。

表1 模型地質(zhì)柱狀表

表2 錨桿間距模擬模型參數(shù)表

隨著錨桿間距的變化，回采巷道圍巖支護(hù)情況也不盡相同。通過(guò)相同條件下不同錨桿間距的模擬，分析對(duì)比模型的支護(hù)情況，從而選擇合適的錨桿間距[2]。

通過(guò)分析模擬結(jié)果可知，錨桿間距由0.7 m增至1.0 m時(shí)，頂板下沉量增加了3.8 mm，底板底鼓量增加了0.1 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量增加了4 mm，兩幫位移量?jī)H增加了3.5 mm；當(dāng)間距從1.0 m增加到1.4m時(shí)，頂板下沉量增加了5 mm，底板底鼓量增加了0.3 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量增加了5.2 mm，兩幫位移量增加了10.3mm。從整體來(lái)看，當(dāng)間距小于1 m時(shí)，隨著錨桿間距的減少，巷道圍巖變形量相應(yīng)降低，其減小的速率明顯變緩，而當(dāng)間距大于1 m后，隨著錨桿間距的增加，巷道圍巖變形量變大，其增大的速率較明顯。由此確定錨桿間距1 m為其支護(hù)的最佳設(shè)計(jì)間距。

1.3 錨桿長(zhǎng)度

設(shè)計(jì)錨桿參數(shù)與表2一致，間距設(shè)為1 m，以錨桿的支護(hù)長(zhǎng)度 1.6 m、1.7 m、1.8 m、1.9 m、2.0 m、2.1 m、2.2 m、2.3 m、2.4 m、2.6 m為模型，進(jìn)行有限元分析，共建立11個(gè)模型，得到模擬結(jié)果。

通過(guò)分析模擬結(jié)果可知，錨桿長(zhǎng)度由1.6 m增至2.0 m時(shí)，頂板下沉量減少了22.8 mm，底板底鼓量減少了0.5 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量減少了23.3mm，兩幫位移量減少了9.1 mm；當(dāng)錨桿長(zhǎng)度從2.0 m增加到2.6 m時(shí)，頂板下沉量?jī)H減少了11.5 mm，底板底鼓量?jī)H減少了0.3 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量?jī)H減少了11.8 mm，兩幫位移量?jī)H減少了3 mm。由此可知，當(dāng)長(zhǎng)度大于2.0 m時(shí)，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，巷道圍巖變形量相應(yīng)降低，其減小的速率變化不大，而當(dāng)長(zhǎng)度小于2.0 m后，隨著錨桿長(zhǎng)度的減少，巷道圍巖變形量變大，其增大的速率變化較大。由此確定錨桿理想的長(zhǎng)度為2 m較合適。

1.4 錨桿排距

設(shè)計(jì)錨桿確定參數(shù)與表2相同，間距設(shè)為1 m，長(zhǎng)度為2 m，以錨桿的排距0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.4 m為模型，共建立 9個(gè)模型進(jìn)行分析，得到模擬結(jié)果。

通過(guò)分析模擬結(jié)果可知，錨桿排距由0.6 m增至1.0 m時(shí)，頂板下沉量增加了8.2 mm，底板地鼓量增加了0.1 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量增加了8.3 mm，兩幫位移量增加了32.4 mm；當(dāng)排距從1.0 m增加到1.4 m時(shí)，頂板下沉量增加了27.9 mm，底板底鼓量增加了0.2 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量增加了28.1 mm，兩幫位移量增加了22.0 mm。從整體來(lái)看，當(dāng)排距小于1.0 m時(shí)，隨著錨桿排距的減少，巷道圍巖變形量相應(yīng)減小，其減小的速率較慢，而當(dāng)排距大于1.0 m后，隨著錨桿排距的增加，巷道圍巖變形量增大，其增大的速率較顯著。由此確定錨桿排距1.0 m為其支護(hù)的最佳設(shè)計(jì)間距。

1.5 輔桿直徑

設(shè)計(jì)錨桿的參數(shù)與表2一致，間距設(shè)為1 m，長(zhǎng)度為2 m，排距設(shè)為1 m，以錨桿的直徑16 mm、17 mm、18 mm、19 mm、20 mm、21 mm、22 mm、23 mm、24 mm為模型進(jìn)行分析，共建立9個(gè)模型，得到模擬結(jié)果。通過(guò)分析模擬結(jié)果可知，在不同錨桿直徑作用下，對(duì)回采順槽圍巖變形影響不大。

1.6 錨桿預(yù)應(yīng)力

設(shè)計(jì)錨桿的參數(shù)與表2一致，間距設(shè)為1 m，長(zhǎng)度為2 m，排距為1 m，直徑為20 mm，給予錨桿的預(yù)應(yīng)力分別為 10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN，共建立6個(gè)有限元模型進(jìn)行分析，得到模擬結(jié)果。

通過(guò)分析模擬結(jié)果可知，錨桿預(yù)應(yīng)力控制回采順槽圍巖變形十分有效，預(yù)應(yīng)力由10 kN增至30 kN時(shí)，頂板下沉量減少了3.3 mm，底板底鼓量減少了0.1 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量減少了3.4 mm，兩幫位移量?jī)H減少了1.8 mm；當(dāng)預(yù)應(yīng)力由30 kN增加到60kN時(shí)，頂板下沉量減少了11.3 mm，底板底鼓量減少了0.1 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)位移量減少了11.4 mm，兩幫位移量減少了2.7 mm。因此，當(dāng)給予錨桿的預(yù)應(yīng)力大于30 kN時(shí)，其支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖的作用較為明顯。

2 回采順槽支護(hù)方案的確定

根據(jù)上述數(shù)值模擬情況，結(jié)合該礦實(shí)際回采順槽的地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)采用支護(hù)系統(tǒng)為：直徑20 mm、長(zhǎng)度2 m、間排距為1 m×1 m、預(yù)應(yīng)力為40 kN的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿。同時(shí)考慮實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中的地質(zhì)條件影響，配長(zhǎng)6 m錨索。在回采巷道設(shè)置了觀測(cè)站進(jìn)行實(shí)測(cè)，觀測(cè)成果如表3所示。

表3 不同階段變形情況表

3 結(jié)論

通過(guò)不同參數(shù)下的模擬研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的資料，得到以下結(jié)論：隨著錨桿不同參數(shù)的變化，圍巖的變形也隨之變化。針對(duì)該條件下，錨桿支護(hù)參數(shù)宜取1 m間距、2 m長(zhǎng)度、不大于1 m排距、20 mm以上直徑、30 kN以上預(yù)應(yīng)力為最合適。另外通過(guò)讓壓裝置，減少了圍巖變形對(duì)支護(hù)的影響，使圍巖整體強(qiáng)度相應(yīng)加強(qiáng)。由現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)試驗(yàn)段內(nèi)觀測(cè)成果可知，通過(guò)該種方式能夠有效地控制圍巖的變形。