南梁煤礦風氧化帶工作面順槽支護的數(shù)值模擬研究

張秉濤，任 偉

（1.大同煤礦集團公司忻州窯礦，山西 大同 037021；2.大同煤礦集團公司 通風處，山西 大同 037003）

1 工程概況

目前，巷道圍巖控制技術(shù)已較成熟，但在一些特殊較差地質(zhì)條件巷道特別是工作面順槽，根據(jù)經(jīng)驗選擇的支護方案及參數(shù)，很難實現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定，其變形大、破壞嚴重，嚴重制約著安全高效開采。針對南梁煤礦風氧化帶20204工作面順槽原支護方案難以維護巷道圍巖的穩(wěn)定性，根據(jù)實際開采條件，利用數(shù)值模擬方法，分析巷道圍巖最大主應(yīng)力分布特征與圍巖位移變化規(guī)律，提出了新的合理支護方案和參數(shù)，克服了南梁礦原有支護方式和參數(shù)選擇的盲目性，以很好地解決其支護問題，并為類似井田工作面順槽支護方案及參數(shù)參考借鑒。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 模擬軟件

采用美國Itasca公司的FLAC大型巖土工程模擬軟件，其有10種彈塑性材料本構(gòu)模型，5種計算模式，可模擬復(fù)雜的巖土工程或力學問題。

2.2 計算參數(shù)

1）采用莫爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則判斷巖體的破壞：

式中：σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力；c，φ 分別是粘結(jié)力和摩擦角。當fs＞0時，材料將發(fā)生剪切破壞。通常應(yīng)力狀態(tài)下，巖體的抗拉強度很低，因此根據(jù)抗拉強度準則（σ3≥σT）判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

模擬的巖石力學參數(shù)，如表1所示。

表1 巖石力學參數(shù)

2）原支護方案的參數(shù)。矩形巷道采用不可縮工字鋼棚子和錨網(wǎng)聯(lián)合支護。錨網(wǎng)參數(shù)：頂部采用φ16 mm×2 200 mm型左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 100 mm，共5根錨桿，頂部靠兩幫第一根錨桿與鉛錘線成20°夾角，采用Q235鋼托板，規(guī)格100 mm×100 mm×8 mm。采用Z2360高效速凝型樹脂錨固劑，錨固力不小于50 kN。錨托梁采用φ16 mm圓鋼焊成，鋼筋梯子梁長4.0 m。巷道頂部鋪設(shè)φ6 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔 100 mm×100 mm。

3）優(yōu)化方案支護的參數(shù)。頂部微拱形巷道，采用的可縮工字鋼棚子和錨網(wǎng)聯(lián)合支護。錨網(wǎng)參數(shù)：頂部采用φ16 mm×2 200 mm型左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 100 mm，共5根錨桿，頂部靠兩幫第一根錨桿與鉛錘線成20°夾角。采用Q235鋼托板，規(guī)格100 mm×100 mm×8 mm。采用 Z2360高效速凝型樹脂錨固劑，錨固力不小于50 kN。錨托梁采用φ16 mm圓鋼焊成，鋼梯子梁長4.0 m。巷道頂部鋪設(shè)φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔100 mm×100 mm。

2.3 數(shù)值模型

根據(jù)南梁煤礦地質(zhì)資料，考慮計算需要，確定數(shù)值計算力學模型。模擬基巖平均厚度50 m，土層平均厚度50 m為等效載荷，寬×高=60 m×50 m，采用Mohr-Coulomb plasticity model本構(gòu)模型，采用大應(yīng)變變形模式，固定模型左右邊界及下邊界，模型上邊界施加均布載荷，等效巖層自重載荷，模型由94 000個單元組成。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖最大主應(yīng)力特征分析

圖1 原支護方案最大主應(yīng)力分布云圖

圖2 優(yōu)化支護方案最大主應(yīng)力分布云圖

圖1為原支護方案支護一個月、兩個月、三個月后巷道圍巖的最大主應(yīng)力分布云圖。①原方案支護一個月后，由于巷道圍巖在剛性支護作用下，巷道圍巖幾乎都處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力約2 MPa左右；巷道的四角與兩幫深部巖體有小范圍高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)力約4 MPa左右；在巷道周圍的工字鋼支架上，應(yīng)力達12.5 MPa。②支護兩個月后，巷道頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力分布狀態(tài)與大小均未發(fā)生變化，但在巷道兩幫的中部出現(xiàn)了小范圍應(yīng)力釋放，說明幫部的剛性支護受到圍巖側(cè)向擠壓開始出現(xiàn)了屈服破壞。③支護三個月后，幫部的應(yīng)力釋放區(qū)更明顯，同時受到幫部應(yīng)力釋放影響，頂?shù)装逡喑霈F(xiàn)了應(yīng)力釋放區(qū)，并在巷道的幫深部煤體中出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，且呈非對稱分布，最大應(yīng)力處于巷道右側(cè)，應(yīng)力達7 MPa。

圖2采用優(yōu)化支護方案一個月、兩個月、三個月后巷道圍巖的最大主應(yīng)力分布云圖。據(jù)圖分析可得，圍巖應(yīng)力均處于較高的范圍3 MPa，因此，“錨網(wǎng)+可縮性微拱支架”形成了一個完整的力學支護體系。其中，工字鋼對淺部圍巖的加固作用較明顯，加之錨桿對次深部圍巖耦合支護作用，使得巷道圍巖形成一個較大的加固范圍，從而提高了圍巖應(yīng)力，維持了巷道穩(wěn)定。

3.2 巷道圍巖位移變化分析

分別對原支護方案支護一個月、兩個月、三個月后巷道圍巖位移變化曲線圖分析。巷道圍巖應(yīng)力監(jiān)測點位移變化特征表明，隨著支護時間的延長，巷道頂板和兩幫位移經(jīng)歷了增加-減緩-穩(wěn)定三個過程；最大位移0.4 m左右，處于巷道底板，兩幫的變形較底板變形小；巷道底板在三個月的位移監(jiān)測中，一直處于增加狀態(tài)，兩幫增加較明顯。

分別對支護方案支護一個月、兩個月、三個月后巷道圍巖位移變化分析。巷道位移明顯減小，兩幫最大移近量0.015 m左右，頂?shù)装逡平繛?.15 m左右，頂板變形遠小于底板變形，底板中間范圍有較大底臌。

4 結(jié)論

針對南梁煤礦20204工作面順槽原支護方案難以維護巷道圍巖的穩(wěn)定性，分析之后，確定了優(yōu)化支護方案的可行性結(jié)論：①錨網(wǎng)+可縮性微拱支架”形成了一個完整的力學支護體系。工字鋼對淺部圍巖的加固作用較明顯，加之錨桿對次深部圍巖耦合支護作用，使得巷道圍巖形成了較大的加固范圍，從而提高了圍巖的應(yīng)力值，維持了巷道穩(wěn)定。②采用優(yōu)化支護方案，巷道位移量明顯減小，兩幫最大移近量0.015 m左右，頂?shù)装逡平?.15 m左右，頂板變形遠小于底板變形，底板中間范圍有較大底臌。③針對南梁礦風氧化帶條件下20204工作面順槽提出的優(yōu)化方案能解決現(xiàn)場的支護問題。

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