千米深井底板支護參數優(yōu)化及數值模擬研究

呂繼民段江維喬衛(wèi)國林登閣程少北

(1.寶鋼集團有限公司,上海市虹口區(qū),200080; 2.冀中能源峰峰集團九龍煤礦,河北省邯鄲市,056500; 3.山東科技大學,山東省青島市,266590)

千米深井底板支護參數優(yōu)化及數值模擬研究

呂繼民1段江維2喬衛(wèi)國3林登閣3程少北3

(1.寶鋼集團有限公司,上海市虹口區(qū),200080; 2.冀中能源峰峰集團九龍煤礦,河北省邯鄲市,056500; 3.山東科技大學,山東省青島市,266590)

針對冀中能源峰峰集團磁西一號礦井副井馬頭門工程地質條件,借助有限差分軟件FLAC3D對底板錨索束支護長度進行了數值模擬;通過比較不同長度錨索束支護下巷道底板圍巖塑性區(qū)分布和底鼓量,實現了底板錨索束支護的參數優(yōu)化;現場工程實踐證明,優(yōu)化后的錨索束支護參數不僅具有較好的成本優(yōu)勢,還可以有效控制底板塑性區(qū)向深部發(fā)展,抑制底鼓變形。

千米深井 巷道支護 底板支護 錨索束 參數優(yōu)化 數值模擬

1 工程概況

冀中能源峰峰集團磁西一號礦井位于河北省邯鄲市峰峰礦區(qū)東部,行政區(qū)劃隸屬磁縣和峰峰礦區(qū)管轄。磁西一號礦井設計產能為1.8 Mt/a,礦井采用立井開拓方式,設主井、副井及風井3口井筒。副井井筒的凈直徑為8.0 m,埋深超千米。副井和風井位于同一工業(yè)場地,距離主井工業(yè)場地2.8 km。副井馬頭門開口處凈寬7 m,凈高6 m,進車方向長度57 m,距井筒10 m左右設有液壓站室2個,對稱布置,30 m左右設有拉緊裝置硐室。副井馬頭門開口處掘進寬度8.2 m,掘進高度6.6 m,搖臺位置可高達9 m。區(qū)內主要含煤地層為太原組和山西組,含煤地層總厚度平均為183.49 m,共含煤13～18層,煤層平均總厚17.39 m。

2 深井馬頭門穩(wěn)定性分析

2.1 深井圍巖穩(wěn)定影響因素

影響深井馬頭門巷道變形的因素很多,如圍巖巖石物理力學特性、礦物組成、巖體結構和地質構造、溫度、水等。而支護結構、施工工藝及質量等也是影響巷道穩(wěn)定的因素。磁西一號井副井馬頭門巷道圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素包括深部構造應力、地下水、高地溫等。

(1)構造應力的影響。磁西一號井副井馬頭門巷道圍巖處于垂直應力、構造應力、動壓等相互構成的復雜的應力場中。隨著開采深度的增加,巷道圍巖受到上覆巖層的自重應力也越來越大,深部軟巖本身的承載能力較差,一旦巷道支護體系破壞失效,巷道變形急劇加速;在地質構造活動強烈地區(qū),殘余構造應力更大,水平應力往往大于垂直應力,形成高水平地應力,這些都增加了副井馬頭門巷道地壓顯現及圍巖破壞的劇烈程度,給圍巖穩(wěn)定性控制帶來了很大的困難。

副井馬頭門位于斷層CF16和斷層CF17形成的地塹中部,受兩大斷層構造影響,深部圍巖的破壞速度更快、破壞程度更為嚴重、破壞區(qū)域更大,加大了深部馬頭門巷道的支護難度。

(2)地下水對巖體穩(wěn)定性影響。磁西一號井是一座富水礦井,水對馬頭門附近巖體及支護穩(wěn)定性的影響是非常明顯的。研究證明,含水量對沉積巖強度和變形特性的影響十分顯著,對于泥巖和石英砂巖,從干燥到飽和,單軸抗壓強度有50%的損失。另外,深井軟巖遇水發(fā)生膨脹變形,由此產生的膨脹性變形壓力是軟巖巷道支護破壞的重要原因。

(3)溫度應力的影響。磁西一號井副井埋深1340 m,深部地溫達到30～50℃。巖體在此種超出常溫的環(huán)境下,往往會出現大的位移和變形,還具有明顯的流變特征,溫度在其中起著重要的作用。溫度每變化1℃可以產生0.4～0.5 MPa的地應力變化,溫度升高所產生的地應力變化對巖體的力學性質將產生較大影響。

目前,國內支護理念尚停留在傳統(tǒng)支護理論上,未能形成新的支護理論。巷道底板處于敞開狀態(tài),不重視加強巷道底板支護,支護材料選擇不恰當也是很多深井巷道破壞的主要原因。

2.2 深井圍巖彈塑性變形

深井圍巖處于三向壓縮狀態(tài),隨著巷道的開挖卸載,圍巖由三向受力轉變?yōu)閮上蚴芰?圍巖應力重分布,二次應力增加到一定值時,圍巖將產生彈塑性變形。基于莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)準則,結合深井巖體力學彈塑性基本理論,可求解出軸對稱圓形巷道洞壁位移:

式中:ur——巷道洞壁徑向位移;

μ——泊松比;

E——彈性模量;

c——粘聚力;

φ——內摩擦角;

P0——圍巖初始應力,其值為γH;

γ——圍巖重度;

H——埋深;

P1——支護抗力;

R0——巷道等效圓半徑;

RP——塑性區(qū)半徑。

分析上述兩式可以看出,巷道圍巖支護抗力受周邊位移的影響,而支護抗力主要通過錨桿錨索(束)等支護結構提供;隨著圍巖的不斷變形,圍巖集聚的部分彈性能得以釋放,支護結構提供的抗力相應減小;錨桿錨索(束)等支護結構可以限制圍巖的變形,防止圍巖體完全破裂,實現了圍巖與支護體共同承載。結合現場監(jiān)控測量,可以實現對支護結構參數的優(yōu)化設計。

3 參數優(yōu)化數值模擬

3.1 數值模型建立

模型巖層劃分與巷道所處的實際巖層相一致,各巖層為均質、各向同性。為消除邊界效應,建立模擬區(qū)域的范圍為50 m×50 m×40 m,共有96400個單元和108405個節(jié)點;模型側面限制水平移動,模型下部為x、y、z三方向鉸支,固定不動;在模型上表面施加33.8 MPa的垂直應力,模擬上覆巖層的自重。數值模擬參數見表1。

模擬方案為頂幫支護參數及底板錨桿參數固定,頂幫錨桿采用規(guī)格?22 mm×2400 mm高強預應力錨桿,間排距700 mm×700 mm;錨索采用規(guī)格?22 mm×10000 mm高強錨索,間排距1400 mm×1400 mm;注漿錨桿規(guī)格為?20 mm×2200 mm,間排距1400 mm×1400 mm;底板錨桿采用規(guī)格為?22 mm×2400 mm的高強預應力樹脂錨桿,間排距為700mm×700 mm;底板注漿錨桿規(guī)格為?20 mm×1600 mm,間排距1400 mm×1400 mm。分別模擬錨索束長度為8 m、9 m、10 m、11 m、12 m時對底板底鼓的支護效果,以確定錨索束的最佳支護長度。

表1 數值模擬參數表

3.2 模擬結果分析

為更好反映工程實際情況,本模型及支護結構體系的力學參數賦值均嚴格按照實際數值選擇。模擬分析比較了不同錨索束長度下圍巖塑性區(qū)分布情況,并在底板中點處設立監(jiān)測點,監(jiān)測巷道底鼓變形情況,開挖不支護情況及錨索束長度分別為10 m、12 m時的圍巖塑性區(qū)分布如圖1所示,不同錨索束長度時底鼓量監(jiān)測曲線如圖2所示。

圖1 不同工況下圍巖塑性區(qū)分布圖

圖2 不同錨索束長度時底鼓量監(jiān)測曲線

由圖1和圖2可知,錨索束長度為10 m、 12 m的條件下,巷道底鼓量分別為38.5 mm、24.3 mm,與不支護情況下的底鼓量879.3 mm相比,降低幅度分別為96.0%、97.2%。模擬結果表明,錨索束能有效控制底板圍巖塑性區(qū)的發(fā)展,抑制底鼓變形。當錨索束長度從10 m增大到12 m時,底鼓量和圍巖塑性區(qū)分部范圍減小幅度不太明顯,從安全經濟考慮,確定底板錨索束最佳支護長度為10 m。

4 底板優(yōu)化支護方案

通過數值模擬參數優(yōu)化設計,并借鑒國內外其它深井馬頭門支護工程實踐經驗,馬頭門初步設計采用錨網索噴一次支護,鋼筋砼砌碹二次支護,底板采用錨索束加強支護。馬頭門巷道斷面(距離井筒中心線7.134 m)優(yōu)化支護結構如圖3所示,兩幫支護結構對稱布置。

(1)頂幫支護。頂幫錨桿采用高強預應力樹脂錨桿,設計錨固力150 t,預應力5 t,樹脂錨桿之間采用?20 mm鋼筋梯連接;注漿錨桿與樹脂錨桿隔排插空布置(根據礦壓觀測情況確定錨注時間)。頂幫錨索設計錨固力35 t,預應力20 t,錨索之間采用GDⅡ140/20T型鋼帶連接。頂幫錨桿、錨索和底板錨桿規(guī)格見3.1節(jié)。

(2)采用C20噴射混凝土,噴射厚度為150 mm。

(3)金屬網采用?6.5 mm鋼筋編制而成的鋼筋網,鋼筋網規(guī)格為100 mm×100 mm。

(4)底板支護參數。底板錨桿采用高強預應力樹脂錨桿,以GDⅡ140/20T型鋼帶連成整體;底板注漿錨桿與樹脂錨桿隔排插空布置成梅花型。底板錨索束考慮到底板錨索施工可行性,采用底板大孔徑錨索束防止底鼓。錨索束由3根?22 mm× 10000 mm高強鋼絞線組合而成,每斷面2根錨索束,間排距2800 mm×2800 mm。錨索束設計錨固力105 t,每根鋼絞線預應力20 t,總預應力60 t。錨索束之間放置2根9＃礦用工字鋼焊接鋼梁。錨索束外徑60 mm,錨索孔直徑90 mm。采用普通水泥漿液注漿,注漿壓力1.5 MPa,終壓2.5 MPa。

圖3 馬頭門斷面巷道支護結構圖

5 現場監(jiān)測

為驗證優(yōu)化支護結構的支護效果,在馬頭門附近試驗段巷道共設置了3個監(jiān)測斷面,測點布置在巷道底板中央位置,累計監(jiān)測4個月后底鼓變形基本穩(wěn)定,監(jiān)測曲線見圖4。

圖4 馬頭門巷道底板平均底鼓量監(jiān)測曲線

圖4顯示底板在支護后的20 d內變形較快, 20～70 d底鼓變形速率減緩;累計監(jiān)測120 d后,底板底鼓變形趨于穩(wěn)定,累計底鼓量為19.5 mm,在合理的變形范圍內。通過現場觀測,馬頭門巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài),無明顯裂縫產生,優(yōu)化參數達到了預期的支護效果。

6 結論

借鑒國內外其他深井馬頭門的工程實踐經驗,通過FLAC3D數值模擬對千米深井底板支護參數進行優(yōu)化,并結合現場工業(yè)試驗進行驗證。工程實踐證明優(yōu)化支護結構可有效控制底板塑性區(qū)向深部發(fā)展,抑制底鼓變形,維護副井馬頭門巷道圍巖的穩(wěn)定性;優(yōu)化后的錨索束支護參數具有較好的成本優(yōu)勢,不僅節(jié)省材料自身成本,而且減少鉆孔和注漿成本。

[1] 孟慶彬,韓立軍,喬衛(wèi)國等.深部高應力軟巖巷道變形破壞特性研究[J].采礦與安全工程學報,2012 (4)

[2] 袁秋新.深部構造應力作用下的巷道穩(wěn)定控制技術[J].中國煤炭,2010(4)

[3] 孟召平,潘結南,劉亮亮等.含水量對沉積巖力學性質及其沖擊傾向性的影響[J].巖石力學與工程學報,2009(增1)

[4] 林海,鄧金根,胡連波等.含水率對巖石強度及出砂影響研究[J].科學技術與工程,2013(13)

[5] 王波.軟巖巷道吸水膨脹變形量計算分析[J].中國煤炭,2011(5)

[6] 郭文兵,李小雙.深部煤巖體高溫高圍壓下力學性質的研究現狀與展望[J].河南理工大學學報(自然科學版),2007(1)

[7] 余繼光,郭文兵,李小雙等.溫度因子對深部開采影響的研究現狀與展望[J].煤炭科技,2008(4)

[8] 喬衛(wèi)國,孟慶彬,林登閣等.深部高應力膨脹性軟巖巷道錨注支護技術及相似模擬試驗研究[J].礦冶工程,2011(2)

[9] 蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002

(責任編輯 張毅玲)

Research on optimization and numerical simulation of floor support parameters of kilometer deep shaft

Lv Jimin1,Duan Jiangwei2,Qiao Weiguo3,Lin Dengge3,Cheng Shaobei3
(1.Baosteel Group Co.,Ltd.,Hongkou,Shanghai 200080,China; 2.Jiulong Coal Mine of Jizhong Energy Fengfeng Group Co.,Ltd.,Handan,Hebei 056500,China; 3.Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,266590,China)

According to the engineering geological condition of the auxiliary shaft horsehead door in Cixi No.1 mine of Jizhong Energy Fengfeng Group,a numerical simulation was conducted by the finite difference software of FLAC3D for the length of anchor cable ties.By comparing the plastic zone distribution and floor heave amount under conditions of different length of anchor cable ties,support parameters of anchor cable ties were optimized.The field engineering practice had proved that the optimized support parameters not only had better cost advantage,but also effectively controlled the floor plastic zone developing to deep rock and restrained the floor heave.

kilometer deep shaft,roadway support,floor support,anchor cable ties,parameters optimization,numerical simulation

TD 353

A

呂繼民(1963－),男,高級工程師,曾長期從事煤礦設計研究工作,現為寶鋼集團有限公司總經理。