深井破碎軟巖巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)研究

李學(xué)彬，薛華俊，楊仁樹，，王茂源，李濤濤，何天宇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

煤炭作為自然賦予人類的主要化石能源資源[1]，是我國的主要能源，儲(chǔ)量豐富、分布廣泛，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著極其重要的作用，它是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人類對(duì)礦產(chǎn)需求量的日益增加，開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，淺部礦產(chǎn)資源日趨枯竭，必然使人類要著眼于深部礦產(chǎn)的開發(fā)。深部開采問題已越來越引起人們的重視。煤礦開采深度和強(qiáng)度的不斷增加，在高地應(yīng)力、動(dòng)壓影響、地質(zhì)構(gòu)造、成巖作用及巖體成分等的影響下，一些在淺部開采中的工程災(zāi)害問題都將在深部開采中以更明顯的方式表現(xiàn)出來，特別是軟巖巷道支護(hù)成為主要技術(shù)難題之一[2]。目前國內(nèi)外對(duì)軟巖巷道支護(hù)沒有很好的治理辦法，絕大多數(shù)是在巷道開挖支護(hù)后，隨著圍巖和支護(hù)體的變形而進(jìn)行一次次修復(fù)，直至巷道完成服務(wù)年限。因此研究如何解決軟巖巷道支護(hù)問題，有效控制巷道變形，具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值[3-6]。

本文結(jié)合九龍礦現(xiàn)有軟巖巷道北二正巷地質(zhì)特點(diǎn)和巷道特征，通過FLAC3D程序建立模型，結(jié)合巷道表面位移結(jié)果，對(duì)九龍礦北二正巷巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化巷道支護(hù)方式，并通過數(shù)值模擬對(duì)原有和優(yōu)化的巷道支護(hù)方式下巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，證明基于FLAC3D調(diào)整巷道圍巖參數(shù)的可行性，為煤礦巷道支護(hù)優(yōu)化提供一種方法。

1 工程概況

九龍煤礦位于河北省邯鄲市，是由冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司管轄的年產(chǎn)120Mt的現(xiàn)代化礦井。九龍煤礦北二正巷埋深近700m，巷道圍巖條件較差，屬于典型的深井軟巖巷道，北二正巷水平位置如圖1所示。北二正巷巷道基本位于2#下煤之中，巷道頂板為細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖，底板為堅(jiān)硬致密的砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，巷道斷面為直墻半圓拱形，寬4500mm，高3850mm。由于巷道圍巖性質(zhì)較差，圍巖變形超過30%，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用和安全生產(chǎn)[7]。

2 FLAC3D計(jì)算模型建立

結(jié)合九龍煤礦北二正巷具體地質(zhì)條件，考慮煤體在變形破壞后，其殘余強(qiáng)度隨著變形的增大而降低的特殊性質(zhì)，其FLAC3D計(jì)算模型，煤層采用應(yīng)變軟化模型，其他巖層均采用莫爾-庫侖模型，尺寸為長46.6m、寬48m、厚15m， 共27168個(gè)節(jié)點(diǎn)和24420個(gè)單元，模型以北二正巷巷道肩部中心為原點(diǎn)，其上取28m，下取18.6m，左右各取24m，巷道徑深取15m，計(jì)算模型如圖2所示，模型參數(shù)設(shè)置如表1所示[8]。

圖1 北二正巷試驗(yàn)巷道位置

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格立體圖

表1 模型材料參數(shù)表

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 原支護(hù)方案

九龍煤礦北二正巷巷道斷面為直墻半圓拱形，寬4500mm，高3850mm，斷面面積為15.1m2，巷道采用U型鋼加錨網(wǎng)噴支護(hù)，U36型鋼排距為600mm，錨桿采用長2000mm、直徑20mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距均為600mm，噴層為厚150mm的C20混凝土，巷道原支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 優(yōu)化支護(hù)方案

3.2.1 錨桿長度優(yōu)化

圖4為FLAC3D模型模擬北二正巷支護(hù)錨桿長度增量與圍巖位移量變化關(guān)系圖，由圖3可知，錨桿長度變化對(duì)頂板位移影響不大，對(duì)于煤幫位移影響較大，錨桿長度增加600mm后煤幫圍巖減少25mm，而對(duì)于底板當(dāng)錨桿長度到達(dá)2400mm作用才較為明顯。所以對(duì)頂板錨桿長度可以維持不變或略有降低，煤幫錨桿和底角錨桿長度應(yīng)該增大。

3.2.2 底角錨桿角度優(yōu)化

圖5為FLAC3D模型模擬北二正巷支護(hù)底角錨桿傾角與圍巖位移變化量關(guān)系圖，由圖4可知，巷道底角錨桿對(duì)于減少巷道兩幫內(nèi)鼓和底鼓有一定減輕作用，巷道對(duì)于底鼓防止在90°效果最好，但是考慮實(shí)際施工情況和巷道圍巖整體性，巷道底角錨桿傾角在15°～30°較好。

3.2.3 錨桿預(yù)應(yīng)力優(yōu)化

圖6為FLAC3D模型模擬北二正巷支護(hù)錨桿預(yù)應(yīng)力與圍巖位移變化量關(guān)系圖，由圖6可知，對(duì)巷道錨桿施加預(yù)應(yīng)力對(duì)巷道圍巖位移量減少效果明顯。巷道圍巖均有明顯的下降，預(yù)應(yīng)力在2000N時(shí)巷道煤幫位移量降低多達(dá)2.5mm，在4000N時(shí)巷道頂板位移量已不明顯了，而底板和煤幫位移量又小幅度降低，在8000N時(shí)即預(yù)應(yīng)力超過錨桿支護(hù)材料的承受能力時(shí)會(huì)起到反效果。所以對(duì)巷道頂板錨桿預(yù)應(yīng)力為2000N，對(duì)煤幫錨桿預(yù)應(yīng)力為4000N左右，效果會(huì)較好。

圖3 北二正巷原支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖4 錨桿長度增量與圍巖位移量變化關(guān)系

圖5 底角錨桿傾角與圍巖位移變化量關(guān)系

圖6 錨桿預(yù)應(yīng)力與圍巖位移變化量關(guān)系

3.2.4 噴層厚度優(yōu)化

圖7為FLAC3D模型模擬北二正巷噴層厚度增量與圍巖位移變化量關(guān)系圖，由圖6可知，噴層厚度對(duì)巷道圍巖位移影響比較一致，噴層厚度在150mm以內(nèi)是巷道圍巖位移量變化較小，不足2mm，噴層主要約束圍巖，防止破碎巖體垮落，當(dāng)?shù)竭_(dá)180mm，噴層厚度和剛度均有增加，能有效與錨桿共同作用限制巷道變形，圍巖位移量明顯減小，接近6mm，所以噴層厚度應(yīng)該大于150mm效果較為明顯。

圖7 噴層厚度增量與圍巖位移變化量關(guān)系

3.2.5 錨索數(shù)量優(yōu)化

圖8為FLAC3D模型模擬北二正巷巷道截面的錨索個(gè)數(shù)與圍巖位移變化量關(guān)系圖，由圖8可知，巷道截面內(nèi)安裝7000mm長的錨索時(shí)，當(dāng)在巷道頂板中心安裝1～2根，頂板下沉量持續(xù)下降，底板和兩幫的位移量不太穩(wěn)定。當(dāng)巷道中心安裝3根錨索時(shí)，頂板持續(xù)下沉，煤幫位移量明顯下降，低估變化不大，所以在巷道中心安裝3根錨索即三等分點(diǎn)分別安裝錨索。

圖8 巷道截面的錨索個(gè)數(shù)與圍巖位移變化量關(guān)系

3.2.6 優(yōu)化的巷道支護(hù)方案

通過以上分析，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和條件，對(duì)九龍煤礦北二正巷巷道支護(hù)采取一定優(yōu)化措施。

1) 對(duì)于底角錨桿采用L2400×Φ20的等強(qiáng)度右旋螺紋鋼錨桿，錨桿傾角為30°，錨固方式為全長錨固；對(duì)于煤幫錨桿采用L2200×Φ20等強(qiáng)度右旋螺紋鋼錨桿，錨固方式為全長錨固，施加4000N的錨桿預(yù)應(yīng)力；對(duì)于頂板采用現(xiàn)有的L2000×Φ20等強(qiáng)度右旋螺紋鋼錨桿，施加2000N的錨桿預(yù)應(yīng)力。

2) 噴層對(duì)于巷道來說是全斷面支護(hù)，當(dāng)噴層大于150mm時(shí)，剛性支護(hù)效果極為明顯，所以噴層厚度不小于150mm，采用厚度應(yīng)為180mm。

3) 在巷道截面內(nèi)在巷道三等分點(diǎn)處安裝3根等分錨索，錨索長度為7000mm，錨索排距為2000mm，間距約為2000mm。優(yōu)化的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 優(yōu)化的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)

4 優(yōu)化效果分析

4.1 掘進(jìn)平衡巷道圍巖位移分析

圖10為FLAC3D模型模擬北二正巷原有和優(yōu)化支護(hù)下掘進(jìn)平衡時(shí)圍巖位移圖，由圖10(a)圖可知，在原有支護(hù)條件下，巷道開挖平衡后，巷道底板巖體破壞程度最大，深部離層現(xiàn)象明顯，巷道底鼓最為明顯，最大值為0.315m，兩幫內(nèi)鼓次之，約為0.175～0.2m，頂板下沉量小，約為0.075～0.1m。由圖10(b)圖可知，優(yōu)化的巷道支護(hù)方式下，巷道開挖平衡后，巷道底板巖體破壞程度減輕，深部離層程度降低，巷道底鼓程度明顯降低，底鼓最大值為0.1197m，兩幫內(nèi)鼓也相應(yīng)的減少，約為0.10～0.11m，頂板下沉量也減小，約為0.07～0.08m。

4.2 回采平衡巷道圍巖位移分析

圖11為FLAC3D模型模擬北二正巷原有和優(yōu)化支護(hù)下回采平衡時(shí)圍巖位移圖。由圖11(a)可知，在原支護(hù)方式下，到達(dá)回采平衡后，巷道底板破壞程度進(jìn)一步加大，底鼓量增加明顯，底鼓最大值約為0.6m，頂板下沉急劇增加，范圍大，巷道圍巖四周來壓，位移收縮量0.3～0.4m。由圖11(b)可知，在原支護(hù)方式下，到達(dá)回采平衡后，頂板下沉量有所減少，最大值為0.23m，兩幫位移和底鼓程度相對(duì)明顯降低，兩幫位移和底鼓的最大值約為0.2m。

圖10 原有(a)和優(yōu)化(b)支護(hù)下掘進(jìn)平衡時(shí)圍巖位移

圖11 原有(a)和優(yōu)化(b)支護(hù)下回采平衡時(shí)圍巖位移

通過FLAC3D數(shù)值模擬，比較原有支護(hù)和優(yōu)化支護(hù)掘進(jìn)和回采平衡時(shí)巷道圍巖位移分析，優(yōu)化的巷道支護(hù)方式進(jìn)一步約束圍巖變形，維持巷道圍巖的穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對(duì)FLAC3D數(shù)值模擬調(diào)整九龍礦北二正巷巷道支護(hù)參數(shù)的研究可以得出以下結(jié)論。

1) 巷道頂板、幫部、底角錨桿分別采用長2000mm、2200mm、2400mm的Φ20等強(qiáng)度右旋螺紋鋼錨桿、噴層厚度180mm、錨索長7000mm，間排距2000×2000mm時(shí)，為較優(yōu)支護(hù)方案。

2) 通過掘進(jìn)和回采平衡條件巷道圍巖位移分析，優(yōu)化的巷道支護(hù)方案，能保證巷道在掘進(jìn)和回采時(shí)巷道圍巖的穩(wěn)定性，將圍巖變形控制在合理范圍內(nèi)，滿足煤礦安全和正常生產(chǎn)要求。

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