圍巖模擬在巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用

張亞軍

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048212）

1 概述

保持巷道圍巖的穩(wěn)定性對于巷道的順利掘進(jìn)和礦井安全生產(chǎn)有著重大意義[1]。而如何對巷道選擇合理的支護(hù)方式從而達(dá)到支護(hù)效率的提升，是影響煤礦巷道掘進(jìn)速度的主要因素之一。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)來看，理論參考、數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算是進(jìn)行巷道支護(hù)的主要依據(jù)，無論省略哪個環(huán)節(jié)都難以應(yīng)對巷道圍巖復(fù)雜和多變性的特點(diǎn)[2]。

FLAC3D是專業(yè)的巖土力學(xué)分析軟件，如今已廣泛用于巷道圍巖的分析，很多科研工作者在對地下洞室、巷道支護(hù)等領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究[3-4]。因此煤礦可以利用FLAC 3D軟件對巷道圍巖的多種支護(hù)方案進(jìn)行技術(shù)比對，最終確定更加合理的支護(hù)方案，配合將作為荷載的圍巖轉(zhuǎn)變?yōu)橹谓Y(jié)構(gòu)，能在最大程度上發(fā)揮圍巖的支撐能力。

2 工程地質(zhì)特征

沁裕煤礦2#煤層位于山西組中部，平均厚度1.4m，總體穩(wěn)定。2#煤層膠帶大巷長293m，凈斷面尺寸為3.4m×3.0m，在進(jìn)行采掘工作時(shí)為防止受采動的影響，需對巷道圍巖強(qiáng)度進(jìn)行測試分析。

2.1 圍巖地質(zhì)力學(xué)測試及評估

根據(jù)對地應(yīng)力水平的劃分標(biāo)準(zhǔn)：低應(yīng)力區(qū)為0～10MPa，中等應(yīng)力區(qū)為10～18MPa，高應(yīng)力區(qū)為18～30MPa；大于30MPa則屬于超高應(yīng)力區(qū)。2#煤層膠帶大巷與煤層其他巷道地應(yīng)力情況大體相同，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，其最大水平主應(yīng)力為13.5MPa，最小水平主應(yīng)力為7.02MPa，平均垂直應(yīng)力為4.40MPa。由此可見，2#煤層膠帶大巷區(qū)域地應(yīng)力場為中等應(yīng)力區(qū)，其中水平應(yīng)力為應(yīng)力的主要影響力，對巷道頂?shù)装宓挠绊懽饔寐源笥趯ο锏纼蓭偷挠绊憽?/p>

2.2 圍巖結(jié)構(gòu)窺視

圍巖結(jié)構(gòu)窺視的主要目的在于掌握頂板支護(hù)范圍內(nèi)，巖層結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，為錨桿和錨索長度選擇及預(yù)應(yīng)力水平的確定提供理論依據(jù)。為此初步設(shè)計(jì)兩個觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)A位于2#煤層回風(fēng)巷，觀測點(diǎn)B位于2#煤層進(jìn)風(fēng)巷。

通過觀測點(diǎn)鉆孔數(shù)據(jù)顯示：①煤層頂板方面：直接頂為厚度約2.0m的深灰色砂質(zhì)泥巖，局部相變?yōu)榉凵皫r。老頂為5.0m左右的中厚層細(xì)粒砂巖，由于層面內(nèi)含有大量植物碎屑，裂隙較發(fā)育,巖體質(zhì)量為中等。②煤層底板方面：為由植物化石腐屑構(gòu)成的泥巖平均抗壓強(qiáng)度9.0MPa，平均抗拉強(qiáng)度0.54MPa，巖體質(zhì)量為中等，不排除發(fā)生“底鼓”的可能。③煤層兩幫方面：沿鉆孔軸向1.2m以內(nèi)煤體完整，1.2m處出現(xiàn)明顯橫向裂隙。

分析觀測鉆孔A、B可以得出如下結(jié)論：

（1）從觀測結(jié)果來看，沁裕煤礦2#煤層頂板10m范圍內(nèi)與錨桿支護(hù)直接相關(guān)的煤巖體巖性主要為砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖。兩個測點(diǎn)頂板巖層比較堅(jiān)硬致密，巖層整體完整性較好，局部存在破碎現(xiàn)象。

（2）頂板錨固范圍內(nèi)圍巖完整性好，且強(qiáng)度較高，有利于后期錨索錨固可靠性和預(yù)緊力的擴(kuò)散。

（3）巷幫煤體完整性較好，無大裂隙分布，淺部3m范圍內(nèi)煤體裂隙發(fā)育，3m后完整性相對較好，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)巷幫支護(hù)。

2.3 圍巖強(qiáng)度測試

2#煤層圍巖強(qiáng)度的測定采用自主研發(fā)的WQCZ-56型測試裝置，對煤層頂板鉆孔內(nèi)進(jìn)行了10m范圍內(nèi)的圍巖強(qiáng)度測試，結(jié)果如圖1所示：頂板以上0～2.0m為泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)度平均值為71.0MPa；2～7.5m為石灰?guī)r，強(qiáng)度平均值為116.5MPa；7.5～10.0m為泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)度平均值為80.5MPa。另外幫孔煤體強(qiáng)度平均值為17.0MPa。

圖1 2#煤頂板圍巖強(qiáng)度測試結(jié)果

圍巖強(qiáng)度測試的主要目的是判斷巷道支護(hù)對象頂板巖層的穩(wěn)定程度，為選擇錨桿錨索形式與參數(shù)提供理論依據(jù)。根據(jù)上述圍巖強(qiáng)度測試結(jié)果可知：2#煤層頂板10m范圍內(nèi)巖性強(qiáng)度中等，與錨桿支護(hù)直接相關(guān)的圍巖強(qiáng)度較高，屬于中硬及以上巖層。結(jié)合圍巖窺視結(jié)果分析，該巖層自身承載能力好，有利于保持巷道頂板穩(wěn)定。

3 巷道支護(hù)形式的數(shù)值模擬和參數(shù)選擇

為進(jìn)一步確定支護(hù)方案，將利用FLAC 3D根據(jù)2#煤層地質(zhì)條件，對膠帶大巷建立數(shù)值模型。模型采用直角坐標(biāo)系，共劃分為125000個網(wǎng)格，規(guī)定XY平面為水平面，Z軸為巷道走向，規(guī)定向上為地面方向，Y軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较颉Ｎ锢砟Ｐ偷倪吔鐥l件取為：四周設(shè)置為鉸支邊界，底部設(shè)置為固支邊界，上部為自由邊界。數(shù)值計(jì)算中地應(yīng)力水平按照現(xiàn)場實(shí)測的地應(yīng)力情況進(jìn)行計(jì)算，具體如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算物理模型圖

3.1 巷道應(yīng)力主要分布特征

從圖3中可以看出，巷道的頂板和兩幫是應(yīng)力分布的集中區(qū)域，其中巷道兩幫主要受垂直應(yīng)力的影響，巷道的頂?shù)装逯饕芩綉?yīng)力的影響。巷道表面圍巖應(yīng)力相對較弱，應(yīng)力主要分布在頂板和底板深部圍巖里面。

圖3 2#煤層膠帶大巷掘進(jìn)期間應(yīng)力分布情況

3.2 巷道掘進(jìn)期間變形情況

從圖4可知，掘進(jìn)期間巷道頂板下沉量大于底鼓量，巷道頂板最大下沉量為63mm，最大底鼓量為4mm，巷道的頂?shù)装逯胁渴前l(fā)生最大變形位置；左右兩幫移近量沒有明顯區(qū)別，均介于15～19mm之間，移近量最大處在兩幫中部。

圖4 2#煤層膠帶大巷掘進(jìn)期間變形情況

4 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)對2#煤層膠帶大巷應(yīng)力的數(shù)值模擬分析，將在錨桿支護(hù)方案的制定進(jìn)行更加合理的制定。

4.1 錨桿設(shè)計(jì)方面

由于巷道頂板受應(yīng)力影響較大，且下沉量較大，將采用直徑20mm，長度2300mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿在頂板排距以800mm×800mm打設(shè)。幫部選用同種型號錨桿，排距為900mm×800mm，最上一根距頂板260mm。所有錨桿的扭矩范圍在200N·m以上。錨桿角度方面，頂板兩側(cè)靠近幫部的錨桿與豎直夾角15°傾斜打設(shè)；兩幫幫頂錨桿與水平夾角15°打設(shè)，幫底錨桿與水平夾角30°打設(shè)；其余錨桿均與巷道圍巖表面垂直打設(shè)，在實(shí)際施工過程中，誤差控制在5°以內(nèi)。

4.2 錨索設(shè)計(jì)方面

針對變形區(qū)域，需錨索施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行主動受力，在2#煤層膠帶大巷的頂板支護(hù)中采用布“2短-1長-2短”的樣式布置。在兩排錨桿架間巷中兩側(cè)1000mm各布置一根，間距2000mm、1600mm。所有錨索均選用直徑17.8mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其中長錨索長度9500mm，短錨索長度6500mm，均垂直于巷道圍巖表面打設(shè)。兩者預(yù)應(yīng)力均在200～250kN之間，鉆孔直徑28mm，均采用兩支MSZ2360、一支MSK2335樹脂錨固劑。

4.3 補(bǔ)充支護(hù)

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，2#煤層膠帶大巷的部分巷道左幫存在空巷，在完成對2#煤層膠帶大巷的支護(hù)后還需持續(xù)對礦壓進(jìn)行觀測，特別是該空巷區(qū)域。當(dāng)后期出現(xiàn)異常或礦壓不穩(wěn)定情況時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，左幫砌三七墻，架設(shè)工字鋼棚，同時(shí)將鋼棚左幫在巷道走向進(jìn)行聯(lián)結(jié)。

5 結(jié)束語

（1）對于應(yīng)力場為中等應(yīng)力區(qū)的巷道，普遍存在局部破碎現(xiàn)象的現(xiàn)象。巷道采掘后，圍巖初始靜態(tài)力學(xué)平衡被打破，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，巷道圍巖變形。因此需要對巷道圍巖的應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析。

（2）基于FLAC 3D巖土力學(xué)軟件對巷道進(jìn)行了模擬計(jì)算，打破對規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)的依賴，根據(jù)模擬結(jié)果對巷道的錨桿及錨索間排距等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在保證巷道采掘期間的圍巖穩(wěn)定的前提下減少了支護(hù)材料的浪費(fèi)。

（3）井下勘探資料結(jié)合數(shù)值模擬分析，可以為支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供參考，是目前巷道科學(xué)支護(hù)發(fā)展的有利方向。