沁裕礦+900m水平井底車場支護技術模擬研究

宋俊青

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西晉城048212）

井底車場作為連接井下運輸作業和井筒提升的“咽喉”要道，對現代化礦井的安全生產起著關鍵的作用[1-2]。如何提高巷道圍巖強度以抵抗鄰近硐室引起的劇烈擾動，是礦山企業安全生產工作亟待解決的一大難題[3]。本文以沁裕煤礦+900m水平井底車場工程為研究背景，利用FLAC 3D軟件，通過數值模擬的方法，確定合理的井底車場巷道支護方案。

1 工程背景

1.1 礦井背景

山西蘭花沁裕煤礦有限公司位于山西省晉城市所轄的沁水縣城西南19km處，行政區劃屬沁水縣土沃鄉管轄。經過勘查，井田內含煤地層總厚為130.44m，含煤10層，煤層總厚度為7.34m，含煤系數5.63%。

1.2 井底車場概況

沁裕煤礦井底車場線路由進出車線、材料車線、人車線組成，副井系統硐室布置有等候室、變電所、排水泵房、物品庫等硐室。服務年限長，應選擇在比較穩定和堅硬的巖（煤）層中。為了更好地選擇井底車場落底層位，按照井檢孔揭露的各地層水文地質、工程地質條件，結合主井裝載水平與井底車場的關系。

2 數值模擬

2.1 巷道概況

沁裕煤礦+900m水平井底車場巷道斷面形狀均采用半圓拱斷面，巷凈寬5000mm，凈高4100mm，凈斷面17.8m2，掘進寬5240mm，掘進高4420mm，掘進斷面20.2m2。

2.2 物理模型的建立

為了研究巷道在未進行支護工作前圍巖變形規律及特征，本次模擬將引入專業巖土分析軟件FLAC 3D，對沁裕煤礦+900m水平井底車場巷道進行數值模擬的分析。

將巖體假定為靜水應力下的均質體，模型尺寸按實際等比縮小，共建立22350個網格單元，對模型內部X、Y、Z方向分別初始化15MPa的靜水應力，網格劃分如圖1所示。

圖1 井底車場計算模型

2.3 支護前模擬

圖2 為FLAC3D為井底車場巷道支護前圍巖穩定性的模擬結果。如圖2（a）所示，巷道圍巖并不穩定，在未進行支護時，塑性區頂板分布范圍為2100mm，底板則較大于頂板，為2400mm，可以看出，巷道上部與下部主要受到拉伸破壞和剪切破壞的影響，兩邊地腳位置則主要受到剪切破壞影響較大。

圖2 巷道模擬結果（支護前）

圖2 （b）和（c）分別為包括水平位移和垂直位移在內的巷道總位移的模擬圖以及在剪切應力影響下，應力的分布情況?？梢钥闯觯催M行支護時巷道的最大移近量為165mm。此時應力集中區域與巷道表面相距較遠，且隨著塑性區的發育，巷道圍巖破壞程度趨于嚴重。

2.4 支護方案的確定

根據沁裕煤礦地質條件與開采技術，并結合數值模擬結果進行分析，最終對井底車場巷道采用聯合支護的方式進行巷道頂底板的控制。其中，頂部均采用錨桿、金屬網、錨索并噴射混凝土聯合支護；兩幫采用錨桿、金屬網并噴射混凝土聯合支護。具體支護參數為：

（1）錨桿方面：

錨桿規格：斷面一拱錨桿、幫錨桿均為?20mm×2300mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，斷面二拱錨桿、幫錨桿均為?20mm×2100mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，上述錨桿鉆孔直徑均為28mm。

拱錨桿：錨桿間、排距為800mm，每排布置11根拱錨桿，錨桿錨固力不應小于50kN。

幫錨桿：錨桿間、排距為800mm，每排布置4根幫錨桿，錨桿錨固力不應小于50kN。

（2）錨索方面：

錨索規格：采用?17.8mm鋼鉸線，井底車場巷道錨索排列方式為矩形排列。錨索長度取6.5m，錨深為6.2m。為確保錨索的錨固強度，錨索長度要根據頂板巖性情況確定，但錨索必須錨至穩定的頂板巖層中不小于1.5m。

（3）金屬網方面：網片采用鋼筋網，每片長2.0m，寬1.0m，網格100mm×100mm，鋼筋直徑4mm。頂部和兩幫應全部鋪設鋼筋網。聯網間距不大于300mm，網與網應采用搭接方式，搭接長度不小于100mm。

（4）噴射混凝土方面：噴射混凝土厚度：斷面一噴層厚度取120mm，斷面二噴層厚度取100mm。噴射混凝土的材料及配合比：噴射混凝土要求凝結硬化快、早期強度高，故應優先選用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，水泥標號不得低于425號。為了保證混凝土強度和凝結速度，不得使用受潮或過期結塊的水泥。噴射混凝土與巖石粘結力（抗拉）不得小于5kg/cm2。

2.5 支護后數據

圖3 為FLAC3D為井底車場巷道支護后圍巖穩定性的模擬結果。如圖3（a）所示，在拉伸破壞方面，除了拱基線處與底臌處存在有輕微破壞以外，表面大部區域破壞范圍大幅縮減；同時，存在于巷道底角位置的剪切破壞也有所緩解。除此之外，由于錨桿在支護過程中，發揮著組合拱和懸吊雙重作用，從而可以確保整個塑性區在錨桿有效長度所控制的范圍內。

圖3 巷道模擬結果（支護后）

圖3 （b）和（c）分別為巷道支護后的總位移模擬圖和剪切應力影響下的應力分布圖。可以看出，支護后巷道的最大移近量為67mm，位移嚴重的問題得到有效控制。巷道圍巖破壞范圍降低，剪應力集中在拱頂兩耳處和底角處。

3 結束語

在制定井下支護工作時，對巷道進行FLAC 3D模擬分析是十分必要的，可以有效地降低成本并確保方案合理可行。本文根據模擬結果，最終對沁裕礦+900m水平井底車場制定利用錨桿、錨網、錨索等支護設備進行的聯合支護的支護方案，獲得了良好的應用效果，支護后具體表現在：

（1）表面大部區域破壞范圍大幅縮減，僅在拱基線處、底臌處和巷道底角位置存在有輕微拉伸破壞和剪切破壞。

（2）巷道的最大移近量較支護前的165mm縮短到67mm，降幅達59.4%，位移嚴重的問題得到有效控制，剪應力集中在拱頂兩耳處和底角處。