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數值模擬在巷道支護優化設計中的應用

2021-11-11 02:42:34琪,賈
江西煤炭科技 2021年4期
關鍵詞:錨桿圍巖

荊 琪,賈 超

(黃陵礦業公司一號煤礦,陜西 延安 727300)

巷道圍巖控制是影響煤礦生產的關鍵技術問題之一。隨著煤炭開采范圍增加、環境惡化、采動影響等因素使巷道圍巖產生大變形、破壞,嚴重影響了煤炭資源的安全、高效開采。若支護選擇和設計沒有科學依據,可能達不到理想的支護效果,巷道圍巖將產生局部變形并導致破壞失穩,也可能造成支護材料浪費,單進水平低。

國內外對錨桿支護有大量的研究,但是由于錨桿支護的對象—不同煤(巖)層巷道周邊的工程巖體,其所固有的非均質性、非連續性、各向異性以及采掘過程的復雜性等,使得錨桿支護設計沒有統一的標準模式。許多錨桿支護設計都是按經驗或工程類比法來完成的。這對于不同煤層賦存條件和開采技術條件變化極大的煤系地層而言,顯然是不夠科學的[1]。

1 工程概況

黃陵一號煤礦1008 進風順槽位于十盤區中部,東接北一進風大巷,西鄰六盤區。頂板為粉砂巖,底板為泥巖,為半煤巖巷道,在掘進期間整體穩定性較好,但底板局部破碎、順槽中部頂板部分破碎,巷道幫部下側破碎較為嚴重。

以1008 進風順槽為工程背景,擬采用數值模擬分析手段,達到優化巷道支護設計方案,以期能為我礦順槽支護方式提供指導意見。

2 模擬條件

采用FLAC3D數值模擬軟件,對模型施加摩爾庫倫本構關系,計算模型尺寸為55 m×4 m×44 m。由于本研究主要針對掘進期間巷道變形特征情況,一般地,巷道塑性變形破壞的主要影響范圍為3~5 倍的巷道尺寸;1008 進風順槽為矩形巷道,巷寬4.8 m,巷高2.8 m,故在3 倍巷道尺寸范圍內即主要影響區以0.1~0.5 m 放射狀網格尺寸建模,在3~5 倍范圍內即次要影響區以0.5~1 m網格尺寸建模,著重分析主要影響區范圍內巷道變形破壞情況。對模型頂面施加均布載荷,模型兩邊施加水平應力,對模型四邊固支,同時限制底面位移,同時施加重力梯度考慮模型自重[2]。巖體物理學參數見表1,數值模擬模型見圖1。

圖1 數值模擬模型

表1 巖體物理力學參數

3 支護方案

結合礦井實際情況,1008 進風順槽巷道破碎主要集中在巷道幫部與頂板,巷道底板完整性相對較好,故擬通過優化巷道支護參數,在保證安全的前提下節約巷道支護成本[3]。具體支護方案見表2。

表2 設計方案

4 模擬分析

4.1 方案1

圖2 為方案1 巷道掘進時期垂直應力云圖,巷道圍巖應力分布整體呈“駝峰”型分布,最大應力集中區域在巷道幫部兩個頂角處,最大應力達到21.05 MPa,最大應力集中系數為2.105。推測在推進過程中,巷道頂角處最先發生破壞;巷道幫部應力集中區主要在下側,由于巷道為半煤巖巷,巷道幫部上側為砂巖,巖體自身強度大,巷道幫部下側為煤體,煤體強度較弱,故推測此時巷道幫部下側發生破壞;巷道底板同樣發生應力集中,但應力集中程度較弱,此時巷道底板較為完整[4]。

圖2 方案1 垂直應力

圖3 為方案1 巷道掘進時期垂直位移云圖。圖中巷道頂板中線位置處頂板下沉最為嚴重,最大下沉值達到7.12 mm,巷道底板中心位置鼓出最為嚴重,最大底鼓量達到2.2 mm,巷道位移變形量沿著頂底板中線向兩側逐漸減弱[5]。

圖3 方案1 垂直位移云圖

圖4 為方案1 巷道掘進時期塑性區分布云圖,巷道在掘進期間頂底板破壞范圍不大,其中頂板最大破壞深度達到0.5 m,底板最大破壞深度達到0.6 m,此時巷道頂底板較為完好;主要的破壞區域集中在巷道幫部下側,幫部上側位置塑性破壞較下側明顯減少,分析原因是由于幫部上側處于砂巖段,推測此時巷道幫部上側較下側更為完整,但存在局部破碎,這與垂直應力的分析結果是一致的。

圖4 方案1 塑性區分布云圖

4.2 方案2

圖5 為方案2 情況下巷道掘進期間垂直應力分布云圖,巷道圍巖應力分布整體呈“駝峰”型分布,最大應力集中區域在巷道幫部兩個頂角處,最大應力達到22.76 MPa,最大應力集中系數為2.276。較方案1 來說,最大應力值增大1.71 MPa,同比增長8.12%。推測在推進過程中,幫部頂角處最先發生破壞;巷道幫部應力集中區主要在下側,由于巷道為半煤巖巷,幫部上側為砂巖,巖體自身強度大,幫部下側為煤體,煤體強度較弱,故推測此時巷道幫部下側發生破壞;巷道底板同樣發生應力集中,但應力集中程度較弱,此時巷道底板較為完整。

圖5 方案2 垂直應力分布云圖

圖6 為方案2 情況下巷道掘進期間垂直位移云圖,巷道頂板中線位置處頂板下沉最為嚴重,最大下沉值達到6.47 mm,較方案1 相比,最大下沉值下降了0.61 mm,最大下沉值同比降低8.56%,巷道底板中心位置鼓出最為嚴重,最大底鼓量達到2.11 mm,巷道位移變形量沿著頂底板中線向兩側逐漸減弱[6]。

圖6 方案2 垂直位移云圖

圖7 為方案2 情況下巷道掘進期間塑性區分布云圖,巷道頂底板整體破碎情況較小,巷道頂板剪切破壞深度達0.3 m,底板剪切破壞深度達0.6 m,與方案1 相比較,頂板破壞深度減小0.2 m,同比下降40%,兩幫破碎情況與方案1 相差不大,在此不再分析。

圖7 方案2 塑性區分布云圖

綜合兩方案對比分析,得到以下結果:

(1)方案2 相較方案1 最大應力集中峰值上升了1.71 MPa,同比上升8.12%,垂直位移減少0.61 mm,同比下降8.56%,頂板塑性區發育高度下降0.2 m,同比降低40%;方案2 比方案1 頂板下沉量減少,頂板塑性區發育區域減少。由此可見,方案2 支護效果更佳。

(2)模擬巷道循環推進距離為4.8 m,方案2比方案1 頂板錨桿增加0.25 根/m,方案2 比方案1 幫錨桿增加0.67 根/m,錨索梁減少0.21 套/m;現場實測,方案2 比方案1 支護效率提高15%,按照每天平均掘進16 m 計算,方案2 比方案1 每天掘進進尺提高2.4 m,方案2 較比方案1 每米費用降低186 元;方案2 支護效率顯著提高,支護成本明顯降低。

5 結語

以黃陵礦業公司一號煤礦1008進風順槽支護為背景,擬用數值模擬方法對巷道支護進行分析;探討如何優化選擇支護方案,既提高支護效率,又降低支護成本;并經現場實測得到驗證,可為煤礦巷道支護選擇提供了經驗借鑒。

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