基于數(shù)值模擬方法對強動壓下巷道變形分析

郭文舉

(大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000)

引 言

隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，資源的極大使用，對煤炭的依賴仍是經(jīng)濟發(fā)展的主要支柱。目前，煤炭的開發(fā)決定于巷道的安全使用，強動壓的影響對巷道的使用威脅較為嚴重，急需解決。

韋四江等采用相似模擬實驗驗證了對穿錨索對采動影響下的群硐室支護設(shè)計的合理性[1]；張向東等采用耦合支護方法對采動影響下的大硐室進行了

現(xiàn)場試驗，取得了理想效果[2]；尹光志等揭示了動壓影響下巷道的蠕變規(guī)律[3]。對于強動壓下巷道的支護已經(jīng)取得了豐碩成果，但是對于巷道的補強支護研究較少，本文采用數(shù)值模擬的方法對5111巷道大變形破壞進行模擬分析，并對巷道補強支護距離進行模擬，得出該地質(zhì)條件下補強支護距離應不小于30 m。

1 工程概況

1.1 巖體地質(zhì)情況(見表1)

表1 5111巷道巖體性質(zhì)

2 巷道支護

2.1 大變形前支護

5111巷設(shè)計長度1 420 m，現(xiàn)已掘進1 420 m，采用錨+索+網(wǎng)+帶聯(lián)合支護。采用Φ20 mm×2 200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距0.9 m，排距1.0 m，錨索采用Φ17.8 mm×6 000 mm 1860級低松弛鋼絞線，采用“二一二”布置，間排距均為2.0 m。

2.2 變形后補強支護

5111巷因巷道有壓力需要補強支護，根據(jù)現(xiàn)場勘測研究決定：

1) 370 m～490 m、540 m～600 m、800 m～840 m段施工角錨索和幫錨桿間距均為2 m，兩幫均施工。

2) 600 m～640 m在靠近09的一側(cè)施工角錨索和角錨桿間距均為1 m。

3) 角錨索規(guī)格：Φ17.8 mm×8 000 mm，托盤350 mm×350 mm×10 mm；幫錨索規(guī)格：Φ17.8 mm×6 000 mm，托盤350 mm×350 mm×10 mm；錨索錨固長度為1 500 mm，樹脂使用MSCK2330 1支，MSCK2360 2支。

3 巷道變形監(jiān)測

巷道掘進完成后，圍巖比較穩(wěn)定，隨著相鄰采區(qū)的開采，巷道出現(xiàn)了大變形狀況，如圖1所示。巷道底板隆起比較嚴重，巷道幫部和頂部煤體發(fā)生了嚴重破碎，導致巷道的持續(xù)性變形。為了能夠維持巷道的繼續(xù)使用，采用了補強支護，但是未能達到預期效果。通過數(shù)顯收斂計對巷道的變形進行持續(xù)觀測，記錄其具體變形數(shù)據(jù)。

圖1 現(xiàn)場巷道變形

4 數(shù)值模型建立

根據(jù)現(xiàn)場變形情況分析，巷道大變形主要集中在400 m～800 m，故本文取巷道400 m～800 m進行開采分析。本文采用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對采動影響下巷道圍巖變形進行模擬[4-6]，采用莫爾-庫倫屈服準則，應用位移邊界條件約束模型邊界。通過現(xiàn)場位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用位移反分析方法獲得巖體力學參數(shù)。建立400 m×400 m×40 m的模型，如圖2所示。為了更加詳細地體現(xiàn)巷道在動壓下的應力和應變，對巷道處網(wǎng)格進行了加密處理。

圖2 數(shù)值模型圖

5 模擬分析

5.1 模擬過程

為了能夠與實際更加符合，模擬過程與實際施工順序一致，先對5111巷進行掘進模擬，然后對煤層進行開采模擬，對巷道產(chǎn)生的影響進行分析，為了分析巷道破壞原因，我們采用了3種支護形式進行對比分析：

1) 采用巷道支護的原先形式，等開采產(chǎn)生部分變形后再進行補強支護。

2) 巷道掘進時就將原先支護和補強支護運用在巷道上。

3) 在采煤斷面與巷道加強支護斷面距離分別為26 m、28 m 、30 m和32 m的補強支護。

5.2 模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，原先支護和補強支護同時進行能夠完全在動壓下維持巷道的穩(wěn)定，未出現(xiàn)巷道大變形，能夠正常維持巷道的運營，從模擬后的應力狀態(tài)可以看出，巷道頂板和底板的應力比兩幫的壓力要小。這是由于，巷道除受到原巖應力作用，還受到巷道擠壓應力的作用。所以，在受強動壓影響下的巷道要對幫部進行特殊支護，可以在巷道角部噴射混凝土來確保應力集中部分不發(fā)生破壞。

通過對采煤斷面與巷道補強支護斷面距離的數(shù)值模擬對600 m處巷道變形進行檢測，對檢測數(shù)據(jù)進行提取繪制，如圖3所示。圖3中顯示，26 m、28 m都不能滿足現(xiàn)場繼續(xù)使用的要求，30 m、32 m都能滿足現(xiàn)場對巷道繼續(xù)使用的要求。

圖3 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

6 5111巷道在強動壓下發(fā)生破壞原因分析

6.1 前期支護強度不夠

由于巷道前期支護不能滿足基本的理論支護，導致在煤層開采過程中應力增加到3倍～5倍，導致巷道原巖破碎區(qū)向塑性區(qū)不斷擴大，而塑性區(qū)逐漸向彈性區(qū)擴張，引起巷道四周快速向巷道中心靠攏。

6.2 后期補強支護不及時

巷道出現(xiàn)較大變形時未能及時對巷道進行強支護，導致后期補強支護的錨桿處于巖體破碎區(qū)，不能起到原有的組合拱作用。同時，由于采區(qū)的持續(xù)性開采，對于原來強度不足的情況更加嚴重，出現(xiàn)后期巷道無法繼續(xù)使用。

7 結(jié)論

1) 5111巷道發(fā)生破壞的主要原因是設(shè)計不合理，前期支護強度不足，后期在強動壓的影響下又不能夠進行及時的補強支護。

2) 受多次影響的巷道應及時進行檢測，確保在發(fā)生較大變形時能夠及時對巷道進行補強支護。

3) 通過數(shù)值模擬分析，采煤區(qū)與巷道補強支護斷面截距應不小于30 m。