邱天德 程子厚

(天地科技股份有限公司建井研究院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

內(nèi)蒙古伊泰廣聯(lián)煤化有限責(zé)任公司紅慶河煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15Mt／a，作為大型現(xiàn)代化礦井，其＋665水平井底車(chē)場(chǎng)存在大規(guī)模硐室群，是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)中聯(lián)結(jié)井下主要運(yùn)輸水平和井筒提升的樞紐，對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要影響。該水平平均埋深約731.5m，圍巖強(qiáng)度較低，加之受到鄰近硐室開(kāi)挖的多次劇烈擾動(dòng)，開(kāi)挖擾動(dòng)與二次應(yīng)力場(chǎng)疊加，使得井底車(chē)場(chǎng)分布于高地應(yīng)力松軟圍巖中。因此井底車(chē)場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題已成為礦井建設(shè)和安全生產(chǎn)亟待解決的一大難題。目前關(guān)于硐室群的研究較多，但是由于該問(wèn)題的復(fù)雜性，很難采用理論解析的方法對(duì)施工擾動(dòng)效應(yīng)下的硐室群力學(xué)行為進(jìn)行分析。本論文以紅慶河煤礦＋665水平井底車(chē)場(chǎng)為工程背景，結(jié)合井底車(chē)場(chǎng)巷道支護(hù)方案，通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)和立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，確定了紅慶河煤礦＋665井底車(chē)場(chǎng)的合理設(shè)計(jì)方案。

1 地質(zhì)概況

紅慶河煤礦位于東勝煤田的中東部，井田構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般1°～3°，3-1煤層賦存深度583.55～869.15m，平均731.54m，頂板巖性多為砂質(zhì)泥巖，為軟弱巖類(lèi)，底板巖性多為砂質(zhì)泥巖、泥巖，多為半堅(jiān)硬巖類(lèi)。3-1煤層自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度為7.02～16.30MPa，普氏硬度系數(shù)0.86～1.66。＋665水平井底車(chē)場(chǎng)圍巖強(qiáng)度整體較為軟弱，為IV類(lèi)圍巖。

2 井底車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)及模型建立

2.1 車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)主、副井筒相對(duì)位置，可采用環(huán)形車(chē)場(chǎng)，環(huán)形車(chē)場(chǎng)共計(jì)有3種形式，立式、斜式和臥式，由于斜式車(chē)場(chǎng)地面出車(chē)方式較受限制，初步設(shè)計(jì)成臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)和立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)形式，井底車(chē)場(chǎng)斷面均相同，為直墻半圓拱型，采用錨噴支護(hù)，凈寬為5.5m，直墻高2.0m，拱高2.75m，井底車(chē)場(chǎng)兩種布置形式及巷道支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 井底車(chē)場(chǎng)布置及斷面支護(hù)圖 (1-1、2-2斷面)

2.2 模型建立

根據(jù)巖石力學(xué)原理，掘巷后的應(yīng)力影響范圍約為巷道寬度的3～5倍，結(jié)合井底車(chē)場(chǎng)交叉點(diǎn)設(shè)計(jì)和巷道尺寸，采用FLAC3D軟件分別建立了臥式和立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)交叉點(diǎn)力學(xué)模型，模型尺寸50m×76m×60m (X×Y×Z)，考慮到計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能，遠(yuǎn)離井底車(chē)場(chǎng)巷道區(qū)域的單元尺寸接近1 m劃分，接近巷道區(qū)域和巷道開(kāi)挖區(qū)域的尺寸為0.2m，模型一共劃分為121375個(gè)單元和126791個(gè)節(jié)點(diǎn)。巷道位于3-1煤層底部，模型四周邊界限制水平方向位移，模型底板限制各個(gè)方向的位移，模型頂板為自由面，根據(jù)巷道的埋深，施加垂向的初始地應(yīng)力為16.8MPa，錨桿破斷荷載為120kN，數(shù)值分析采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系。模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 穩(wěn)定性對(duì)比分析

3.1 圍巖位移分析

在巷道交叉點(diǎn)處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頂?shù)装鍑鷰r變形情況。兩種井底車(chē)場(chǎng)巷道交叉點(diǎn)處頂?shù)装鍑鷰r變形情況如圖2所示，可知兩種車(chē)場(chǎng)巷道開(kāi)挖后巷道表面位移量均呈線性增加，巷道頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速度明顯大于巷道底板，施加支護(hù)后圍巖變形速度明顯降低，并逐步趨于水平，穩(wěn)定后巷道頂板變形明顯大于底板。其中，臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)45°巷道交叉點(diǎn)處頂板最大位移量為86mm，立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)90°巷道交叉點(diǎn)處頂板最大位移量為148.8mm，比臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)45°巷道交叉點(diǎn)處要大。主要由于臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)45°巷道與巷道間為實(shí)體煤柱，巷道開(kāi)掘和支護(hù)面積較小，而立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)90°巷道與巷道間構(gòu)成交叉大斷面P，從圖1(b)可以看出，交叉區(qū)域最大長(zhǎng)度達(dá)到9 m，而現(xiàn)場(chǎng)巷道交叉區(qū)域往往需形成高強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的支護(hù)要求也更高。

而在本次模擬中，對(duì)交叉區(qū)域段也采取同等強(qiáng)度支護(hù)方案，因此臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)45°巷道頂板變形量小于立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)90°巷道，但兩者的圍巖位移量都在較為合理的范圍之內(nèi)，而且差別不大。

3.2 圍巖應(yīng)力分析

臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道和立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖分別如圖3和圖4所示。

表1 井底車(chē)場(chǎng)圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圖2 交叉點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)圖

圖3 臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖

如圖3所示，臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖最大主應(yīng)力分布區(qū)域DEF三角區(qū)，最大主應(yīng)力極值點(diǎn)位于三角孤島內(nèi)，極值點(diǎn)M所在位置與巷道1靠三角區(qū)側(cè)幫距離約為4.5m，應(yīng)力極值為40.9MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.43，見(jiàn)圖4。同樣可得，立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖最大主應(yīng)力極值點(diǎn)位于巷道拐角圍巖內(nèi)，極值點(diǎn)N所在位置與巷道4靠三角區(qū)側(cè)幫距離約為4.7m，應(yīng)力極值為42.2MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.51。兩者最大應(yīng)力區(qū)域和應(yīng)力值相差不大，主要因?yàn)閮煞N情況下交叉巷道均在三角區(qū)的夾角處，應(yīng)力集中系數(shù)較高，使得三角區(qū)夾角處圍巖首先發(fā)生破壞，并逐漸向圍巖深處轉(zhuǎn)移，由于外側(cè)圍巖破壞，三角區(qū)夾角處圍巖對(duì)頂板巖層起不到有效的支撐作用，有效支承區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，隨著三角區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)的降低，深部巖體破壞變小，圍巖由塑性破壞向彈性狀態(tài)過(guò)渡，圍巖對(duì)頂板巖層的支承作用逐漸增強(qiáng)，巖體所受的應(yīng)力值增大，使得應(yīng)力增高區(qū)向圍巖深處轉(zhuǎn)移。

圖4 立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖最大主應(yīng)力云圖

臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖主要發(fā)生塑性剪切破壞，局部出現(xiàn)塑性拉伸破壞，其中，剪切塑性區(qū)的厚度為6～16m。立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖拐角發(fā)生塑性剪切破壞，剪切塑性區(qū)垂直厚度最大為8.7m，比臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖剪切塑性區(qū)范圍要小，這主要是由于開(kāi)挖后巷道頂板巖層受拉作用，在兩種井底車(chē)場(chǎng)布置方式下，巷道圍巖均出現(xiàn)剪切塑性破壞區(qū)范圍，但立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖形成的三角區(qū)域面積大，塑性破壞區(qū)擴(kuò)展范圍多集中于支護(hù)能力較弱的O區(qū)域，如圖4所示，而高應(yīng)力分別集中于巷道4和巷道5兩拐角位置處，如圖4中A、B區(qū)域，與臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道比較而言，立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖受剪切形成的塑性區(qū)分散范圍更大，相應(yīng)的立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道圍巖塑性剪切厚度也更低，而塑性剪切厚度的大小直接決定了開(kāi)掘后的巷道圍巖穩(wěn)定程度和維護(hù)難度。因此，模擬研究發(fā)現(xiàn)，立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道整體情況優(yōu)于臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)巷道，但同時(shí)需采取強(qiáng)力加固措施保障A、B、O關(guān)鍵區(qū)域頂板穩(wěn)定。

3.3 支護(hù)措施

結(jié)合頂?shù)装灞O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值分析可知，對(duì)于臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)和立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)可采取不同的支護(hù)對(duì)策:

(1)臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)由于三角孤島面積較小，且四周巷道貫通，孤島圍巖應(yīng)力較差，塑性區(qū)厚度大于6m，應(yīng)強(qiáng)化三角孤島的支護(hù)強(qiáng)度，在孤島兩側(cè)部分區(qū)域采取幫錨索支護(hù)和圍巖注漿支護(hù)，即對(duì)三角孤島采用錨網(wǎng)噴索注聯(lián)合支護(hù)。

(2)立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)由于井底車(chē)場(chǎng)90°交叉點(diǎn)跨度較大，交叉點(diǎn)頂板圍巖整體穩(wěn)定性相對(duì)較差，而孤島面積較大，孤島圍巖應(yīng)力好。主要強(qiáng)化交叉點(diǎn)頂板支護(hù)強(qiáng)度，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，適當(dāng)補(bǔ)打錨桿錨索。

4 結(jié)論

(1)紅慶河煤礦井底車(chē)場(chǎng)由于埋深大(731.5m)、圍巖強(qiáng)度低，選擇合理的井底車(chē)場(chǎng)形式對(duì)于維持圍巖穩(wěn)定性具有重要意義。

(2)采用FLAC3D軟件分別建立了臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)和立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)模型，并進(jìn)行了圍巖穩(wěn)定性對(duì)比分析。

(3)臥式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)由于三角孤島面積較小，圍巖變形大，確保井底車(chē)場(chǎng)穩(wěn)定性較困難，而立式環(huán)形井底車(chē)場(chǎng)孤島面積較大，有利于維持井底車(chē)場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定性，確定煤礦深部井底車(chē)場(chǎng)合理形式為立式環(huán)形。

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