花草灘煤礦+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷支護(hù)模擬分析與應(yīng)用

張 明

（陜西建新煤化有限責(zé)任公司，陜西 銅川 727102）

1 概況

張掖市宏能煤業(yè)有限公司花草灘煤礦位于甘肅省山丹縣縣城東南方向，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為180萬(wàn)t/a，主要開(kāi)采煤層為煤1、煤和煤2。煤2 按其所含夾矸情況分為上、下兩個(gè)分層，煤2上煤層為煤2 煤層的上分岔煤層。煤1的平均厚度為1.82 m，受到各種地質(zhì)條件的綜合影響，從而造成局部增厚或變薄，平均傾角為17°。該區(qū)域整體形態(tài)為一單斜構(gòu)造。現(xiàn)需要對(duì)+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷進(jìn)行延深開(kāi)拓，+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷在煤1 中，回風(fēng)大巷停頭平面與層位（a 圖中實(shí)線(xiàn)變虛線(xiàn)且巷道名稱(chēng)標(biāo)注位置為停頭位置）見(jiàn)圖1。

圖1 +1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷停頭平面與層位

2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀(guān)測(cè)

該區(qū)地層巖性不單一，多少存在部分地質(zhì)構(gòu)造，煤層頂、底板巖石力學(xué)性能較差，較多為不堅(jiān)固巖石～中等堅(jiān)固巖石，支護(hù)不易[1-2]。于+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷距掘進(jìn)頭10 m 處進(jìn)行鉆孔窺視，鉆孔窺視結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1 鉆孔窺視結(jié)果

由+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷外側(cè)鉆孔窺視結(jié)果可知，距孔口0.70～2.47 m 范圍內(nèi)，縱向裂隙較發(fā)育，少量存在節(jié)理和裂隙等不連續(xù)面；距孔口3.56～7.81 m 之間圍巖裂隙不發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)較完整[3-4]。總體來(lái)說(shuō)，窺視點(diǎn)頂板條件較好，層理與裂隙普遍不發(fā)育，破碎區(qū)范圍較小，圍巖完整性較好，頂板整體性好[5]。

3 巷道圍巖巖性

根據(jù)+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷附近鉆孔所取巖芯巖性分析和提供的地質(zhì)資料，獲得+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)有關(guān)的頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度、底板巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巷幫煤層單軸抗壓強(qiáng)度、巷道埋深、護(hù)巷煤柱寬度等7 個(gè)參數(shù)及其變化范圍，見(jiàn)表2。

表2 巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)基本參數(shù)

根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)，各參數(shù)為表2 所示。根據(jù)頂板、底板和煤層的單軸抗壓強(qiáng)度的普氏硬度系數(shù)可以看出，+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷沿煤1 底板布置，屬于Ⅲ類(lèi)中等穩(wěn)定圍巖；結(jié)合巷道埋深、護(hù)巷煤柱寬度、采動(dòng)影響系數(shù)和圍巖完整性指數(shù)，因此，按Ⅲ類(lèi)中等穩(wěn)定圍巖設(shè)計(jì)+1300 水平西翼回風(fēng)的支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)。

4 數(shù)值模擬

對(duì)+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與模擬分析。模擬主要考慮錨桿不同排距對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響：對(duì)比無(wú)錨桿支護(hù)、錨桿排距分別為600 mm、800 mm 和1000 mm 四種情況。煤層傾角17°，+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷為直墻半圓拱形斷面：毛斷面寬5300 mm，高4750 mm，其中直墻高2100 mm，拱形半徑2650 mm，沿煤1 底板布置，左側(cè)水平距離50 m 保護(hù)煤柱，左側(cè)為實(shí)體煤。沿巷道截面方向?yàn)閄 軸，開(kāi)挖的+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷位于模型中間，左、右側(cè)距模型右邊界30 m；巷道掘進(jìn)方向?yàn)閅 軸，沿掘進(jìn)方向取40 m；豎直方向?yàn)閆 軸，煤1 底板向下取15 m，煤1 頂板向上取20 m。故整個(gè)模型尺寸65 m×40 m×40 m。模型底部沿邊界Y 方向固定，左右兩側(cè)沿邊界X 方向限制水平位移，模型頂部邊界自由，作為施加均勻載荷（即考慮到模擬地下深部巖層，不可能建模到地表），在模型頂部邊界上施加均布載荷q模擬模型上覆巖層的重量。由于本次設(shè)計(jì)的+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷最大埋深為800 m，屬于深部煤層，需考慮煤巖體側(cè)壓的影響。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，本次模擬取垂直應(yīng)力20 MPa，水平應(yīng)力10 MPa。為了能夠準(zhǔn)確研究巷道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)變化情況，建立模型過(guò)程中，作為重點(diǎn)分析的煤1 和煤2 層、直接頂及老頂、直接底范圍內(nèi)塊體尺寸取值較小、致密，上覆巖層塊體尺寸逐次遞增。該模型共分30 420 個(gè)小單元。數(shù)值模型計(jì)算如圖2。

圖2 +1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷計(jì)算模型

模擬過(guò)程中主要考慮巷道圍巖的垂直、水平應(yīng)力分布規(guī)律，圍巖變形特征和屈服范圍。

4.1 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

1）圍巖塑性區(qū)模擬結(jié)果分析

模擬時(shí)，錨桿排距為600 mm、800 mm、1000 mm 時(shí)3 種方案的錨桿間距固定800 mm 不變，錨索排距為800 mm。圖3（a）、3（b）、3（c）、3（d）分別為無(wú)支護(hù)、錨桿排距600 mm、800 mm、1000 mm 方案下的+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷圍巖塑性區(qū)分布圖。

從圖3 中可以看出：

① 無(wú)錨桿支護(hù)情況下，頂板塑性屈服范圍最大為1.75 m，兩幫塑性屈服范圍最大2 m，底板屈服范圍最大2.5 m。頂板表現(xiàn)為拉破壞和剪破壞，以剪破壞為主；底板以剪破壞為主；兩幫以剪切破壞為主。可以看出，若不及時(shí)采取支護(hù)，巷道極易產(chǎn)生頂板大面積垮落、底鼓及兩幫嚴(yán)重片幫。

② 頂板塑性屈服范圍最大為1.75 m，巷道直接頂為砂巖、砂質(zhì)泥巖，塑性區(qū)范圍較大，頂錨桿長(zhǎng)度應(yīng)不小于2.4 m（錨固長(zhǎng)度不低于600 mm）。可以將已發(fā)生塑性破壞的巖層錨固到巷道上覆穩(wěn)定巖層中，同時(shí)需采用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，可有效控制頂板變形。

兩幫塑性屈服最大范圍為2 m，幫錨桿有效長(zhǎng)度應(yīng)不小于2 m。同時(shí)為進(jìn)一步發(fā)揮錨桿的加固和組合作用，幫錨長(zhǎng)應(yīng)大于間距的2 倍為宜。

③ 錨桿排距分別為600 mm、800 mm 方案下的巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)面積基本一致，相比無(wú)支護(hù)頂?shù)装逅苄詤^(qū)面積有顯著減少，有明顯的支護(hù)效果；錨桿排距為1000 mm 方案下的巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)面積略大，支護(hù)效果一般。

2）圍巖應(yīng)力分布規(guī)律分析

圖4（a）、4（b）、4（c）、4（d）分別為無(wú)支護(hù)、錨桿排距600 mm、800 mm 和1000 mm 方案下的垂直應(yīng)力分布云圖。圖5（a）、5（b）、5（c）、5（d）分別為無(wú)支護(hù)、錨桿排距600 mm、800 mm 和1000 mm 方案下的水平應(yīng)力分布云圖。

圖4 不同錨桿排距下巷道的垂直應(yīng)力分布云圖

圖5 不同錨桿排距下巷道的水平應(yīng)力分布云圖

從圖4、圖5 中可以看出：

① 在巷道頂板、底板范圍內(nèi)形成拉應(yīng)力區(qū)和垂直應(yīng)力降低區(qū)域，頂板中形成了一個(gè)類(lèi)似拱形的應(yīng)力降低區(qū)。本模擬中原巖垂直應(yīng)力為20 MPa，現(xiàn)定以原巖應(yīng)力的80%范圍為明顯應(yīng)力降低區(qū)，在垂直應(yīng)力為16 MPa 處，即所謂的“卸載拱”。“卸載拱”的范圍主要集中在頂板2 m 范圍左右，說(shuō)明頂板2 m 范圍內(nèi)巖層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，該區(qū)域頂板易破壞。卸載拱范圍內(nèi)的頂板巖層只是相對(duì)原巖應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生了一定程度的卸載作用，而并非完全卸載。巖層的承載能力與所受的載荷之間仍可能建立起新的平衡關(guān)系，因此，支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用卸載拱內(nèi)巖層自身的承載能力，顯然這一點(diǎn)對(duì)錨桿支護(hù)具有特別重要的意義。

② 錨桿、錨索預(yù)緊力聯(lián)合作用在錨桿和錨索組成的主要結(jié)構(gòu)中，形成了有效不斷續(xù)的壓應(yīng)力區(qū)。錨桿排距為1000 mm 方案下拉應(yīng)力作用范圍相較于無(wú)支護(hù)情況顯著減少；錨桿排距分別為600 mm 和800 mm 兩種方案下拉應(yīng)力作用范圍相比無(wú)支護(hù)情況幾乎消除，支護(hù)效果明顯。

③ 在巷道兩幫形成明顯水平應(yīng)力降低區(qū)，降低區(qū)范圍1.5 m 左右。結(jié)合塑性區(qū)分布情況可知，巷幫淺部1.5 m 范圍煤體松動(dòng)，巷幫淺部圍巖對(duì)頂板的支撐作用明顯降低，這也意味著頂板的實(shí)際跨度增大，穩(wěn)定性降低。因此，對(duì)巷幫采取有效的支護(hù)措施，不僅有利于巷幫本身的穩(wěn)定，而且也有利于頂板的穩(wěn)定。

④ 與無(wú)支護(hù)相比，巷道兩幫垂直應(yīng)力峰值更靠近巷幫，說(shuō)明支護(hù)提高了兩幫圍巖的強(qiáng)度，形成了強(qiáng)度較高的整體錨固結(jié)構(gòu)體，兩幫圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可以得出無(wú)支護(hù)情況下斷面收縮率為28%，在錨桿排距600 mm、800 mm和1000 m 方案下斷面收縮率分別為5.7%、7.2%和11.5%。考慮礦方巷道維護(hù)工作量，建議選取第2種方案，即錨桿排距為800 mm。

4.2 圍巖支護(hù)分析

通過(guò)對(duì)+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷的數(shù)值模擬結(jié)果可知，無(wú)支護(hù)巷道頂板塑性屈服范圍最大為1.75 m，兩幫塑性屈服最大范圍2 m，底板屈服范圍最大4.5 m，其中頂部表現(xiàn)為拉破壞和剪切破壞，兩幫以剪切破壞為主，底部以拉破壞為主。巷道頂?shù)装鍑鷰r垂直存在明顯的拉應(yīng)力區(qū)：頂?shù)装逯胁?.2 m 范圍內(nèi)垂直應(yīng)力降低明顯，兩幫2.5 m 范圍水平應(yīng)力降低明顯，若不及時(shí)采取支護(hù)，易導(dǎo)致頂板大面積垮落、底鼓及兩幫嚴(yán)重片幫。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷采用螺紋鋼錨桿、錨桿排距為800 mm、錨索排距為800 mm 的支護(hù)方案（模擬時(shí)錨桿排距為600 mm、800 mm、1000 mm 時(shí)3 種方案的錨索排距均為800 mm）。通過(guò)+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷的數(shù)值模擬結(jié)果可知，無(wú)支護(hù)巷道頂板塑性屈服范圍最大為1.75 m，兩幫塑性屈服范圍最大2 m，底板屈服范圍最大2.5 m，其中頂部表現(xiàn)為拉破壞和剪切破壞，兩幫以剪切破壞為主，底部以拉破壞為主。巷道頂?shù)装鍑鷰r垂直存在明顯的拉應(yīng)力區(qū)：頂?shù)装逯胁?.2 m 范圍內(nèi)垂直應(yīng)力降低明顯，兩幫1.5 m 范圍水平應(yīng)力降低明顯，易導(dǎo)致頂板大面積垮落、底鼓及兩幫嚴(yán)重片幫。

錨桿排距分別為600 mm、800 mm 方案下的巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)面積變化不大，相比無(wú)支護(hù)頂?shù)装逅苄詤^(qū)面積有顯著減少，有明顯的支護(hù)效果；錨桿排距為1000 mm 方案下的巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)面積略大，支護(hù)效果不好；無(wú)支護(hù)情況下斷面收縮率為28%，在排距600 mm、800 mm 和1000 m 條件下斷面收縮率分別為5.7%、7.2%和11.5%。綜上所述，考慮巷道開(kāi)拓成本、維護(hù)成本，選擇錨桿排距為800 mm。

5 工業(yè)性試驗(yàn)

+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷巷道按照半圓拱形斷面：毛斷面寬5200 mm，高4700 mm，其中幫2100 mm，拱形半徑2600 mm，幫頂做100 mm 厚的320 混凝土噴漿。采用螺紋鋼錨桿、錨桿排距為800 mm，錨索排距800 mm，錨桿間距800 mm，全斷面布置，錨索間距1000 mm，每排布置5 根進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。為了檢驗(yàn)?zāi)M分析結(jié)論是否和工業(yè)實(shí)踐監(jiān)測(cè)結(jié)果基本相符，要求專(zhuān)人固定班次，采用尺子直接測(cè)量，頂板與底板垂直方向間隔200 mm 各設(shè)置一個(gè)點(diǎn)，每次測(cè)量讀取，取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；兩幫也是采用相同的方法進(jìn)行平均統(tǒng)計(jì)取值。通過(guò)170 d 的監(jiān)測(cè)記錄并匯總監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷巷道中的頂?shù)装逡平亢拖锏姥€(xiàn)兩幫移近量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6。

圖6 留巷后圍巖變形與工作面距離的關(guān)系

分析圖6 可知，+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷開(kāi)拓后，巷道頂、底板相對(duì)位移量較腰線(xiàn)處兩幫相對(duì)變形量更大，但是從總體數(shù)據(jù)上來(lái)分析，兩幫和頂?shù)装宓目偽灰谱兓坎⒉凰愦螅踔量梢哉f(shuō)算比較小，即表明巷道圍巖整體的絕對(duì)位移量算是比較穩(wěn)定的。截至開(kāi)拓完成170 d，巷道中間處頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?43 mm，腰線(xiàn)處兩幫最大位移量為77 mm。同時(shí)可以看出，圍巖變形速率趨緩，位移速率明顯下降，基本已經(jīng)穩(wěn)定下來(lái)了。通過(guò)監(jiān)測(cè)表明，圍巖變形速率趨緩，基本穩(wěn)定，巷道能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)花草灘煤礦+1300 m 水平西翼回風(fēng)大巷支護(hù)模擬分析與應(yīng)用可以看出，巷道頂、底板位移量和腰線(xiàn)處兩幫變形總體均不大，即表明巷道圍巖整體的絕對(duì)位移量不大，同時(shí)圍巖變形速率趨緩，位移速率明顯下降，選用的支護(hù)方案滿(mǎn)足安全生產(chǎn)需要。