肖成龍 趙 勇 朱 曄 史國(guó)利

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采 ★

大斷面松軟煤幫巷道穩(wěn)定性分析及控制研究

肖成龍 趙 勇 朱 曄 史國(guó)利

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

為了研究大斷面高幫巷道的破壞機(jī)理，并有效保證大斷面高幫巷道的整體穩(wěn)定，以趙莊煤礦53101巷道為工程背景，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同埋深和側(cè)壓系數(shù)情況下巷道頂板、兩幫的垂直應(yīng)力以及巷道圍巖塑性區(qū)分布情況進(jìn)行研究。針對(duì)53101巷道斷面大、煤幫松軟的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)值模擬得出的分析規(guī)律，提出巷道頂板全錨索支護(hù)、兩幫錨網(wǎng)索支護(hù)的支護(hù)方案。支護(hù)后的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該支護(hù)方案有效地控制了巷道的片幫和冒頂破壞，對(duì)巷道的整體穩(wěn)定起到了良好的控制作用。

松軟煤幫 大斷面巷道 埋深 側(cè)壓系數(shù)

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采強(qiáng)度和規(guī)模的日益增大，掘進(jìn)大斷面巷道成為煤礦行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于大斷面巷道受力情況更加復(fù)雜，容易出現(xiàn)冒頂、片幫、底鼓，巷道整體穩(wěn)定性得不到保證，甚至引發(fā)安全事故。矩形巷道在煤礦中使用較為廣泛，但是在工程地質(zhì)條件較差的情況下，圍巖受力較為復(fù)雜，導(dǎo)致巷道圍巖劇烈變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)難以與圍巖的大變形相匹配，不利于巷道的穩(wěn)定。本文以趙莊煤礦53101平巷為工程背景，利用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)不同埋深和側(cè)壓系數(shù)情況下巷道圍巖應(yīng)力分布以及塑性區(qū)范圍進(jìn)行模擬研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況提出合理的支護(hù)方案，保證巷道的長(zhǎng)期整體穩(wěn)定及煤礦安全生產(chǎn)。

1 工程背景

5310大采高綜采工作面主采3#煤，埋深600 m，工作面傾斜長(zhǎng)度270 m，走向長(zhǎng)度885 m，平均采高4.75 m。工作面煤層傾角為5°左右。煤層頂板為7.95 m厚的灰黑色泥巖和粉砂巖互層，含大量植物化石，參差狀斷口堅(jiān)硬，具滑面；底板為7.56 m厚的灰黑色泥巖。53101平巷為工作面軌道平巷，在煤層中掘進(jìn)，寬度為5.0 m，高度為4.5 m。巷道頂板節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤幫松軟、穩(wěn)定性差，在巷道服務(wù)期間冒頂事故頻發(fā)、煤壁極易片幫。為了保證回采巷道的穩(wěn)定，急需對(duì)現(xiàn)有巷道的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化。

2 數(shù)值模擬模型與參數(shù)選擇

根據(jù)53101巷工程地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為35 m×1 m×34.5 m。模型邊界條件如下：模型的左右邊界上施加水平方向的位移約束，固定模型底部，模型的上表面為自由邊界，在模型上表面和左右邊界施加相應(yīng)的地應(yīng)力。數(shù)值模擬計(jì)算采用莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則來(lái)分析巷道開(kāi)挖后不同埋深、側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布的影響規(guī)律，數(shù)值模型中的圍巖力學(xué)參數(shù)以巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，并進(jìn)行一定程度的折減，具體情況見(jiàn)表1。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

為了分析不同側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道頂板及兩幫應(yīng)力和塑性區(qū)分布的影響，取巷道埋深為600 m，分別模擬側(cè)壓系數(shù)為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6時(shí)巷道頂板及兩幫的垂直應(yīng)力分布，為監(jiān)測(cè)巷道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力的分布情況，分別在垂直于巷道頂板中部和兩幫中部布置一條10 m的測(cè)線(xiàn)，每隔0.5 m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。塑性區(qū)和應(yīng)力分布情況分別如圖1和圖2所示。

圖1 不同側(cè)壓系數(shù)時(shí)巷道塑性區(qū)范圍

由圖1可知，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較小時(shí)，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布范圍較小，集中于巷道頂?shù)装灞砻妫苄詤^(qū)主要集中在兩幫；隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，兩幫中部的塑性區(qū)寬度逐漸減小，塑性區(qū)逐漸向頂?shù)装灏l(fā)展，且高度逐漸增高，范圍逐漸增大，靠近頂?shù)装寮皟蓭洼^近處的破壞形式由側(cè)壓系數(shù)較小時(shí)的拉伸破壞逐漸變?yōu)槔羝茐摹?/p>

圖2 不同側(cè)壓系數(shù)頂板和巷幫垂直應(yīng)力分布

由圖2(a)可知，側(cè)壓系數(shù)的不斷增大對(duì)距兩幫2.5～5.5 m范圍的垂直應(yīng)力影響較大，其他范圍垂直應(yīng)力分布基本相同。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道兩幫最大垂直應(yīng)力逐漸減小，且垂直應(yīng)力峰值逐漸遠(yuǎn)離巷道兩幫，側(cè)壓系數(shù)為0.6時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)等于側(cè)壓系數(shù)為1.6時(shí)的1.2倍，說(shuō)明側(cè)壓系數(shù)較小時(shí)，巷道兩幫附近應(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重，更容易造成巷道片幫。隨著垂直應(yīng)力向圍巖深部發(fā)展，垂直應(yīng)力逐漸減小，最終趨于原巖應(yīng)力。由圖2(b)可知，頂板上方1.5 m范圍內(nèi)，不同側(cè)壓系數(shù)條件下垂直應(yīng)力分布基本相同。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道頂板的垂直應(yīng)力不斷增大，隨著垂直應(yīng)力向圍巖深部不斷發(fā)展，最終都逐漸趨于原巖應(yīng)力。

3.2 巷道埋深對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

為了分析不同巷道埋深對(duì)巷道頂板及兩幫應(yīng)力和塑性區(qū)分布的影響，取側(cè)壓系數(shù)為1.2，分別模擬埋深為200 m、400 m、600 m和800 m時(shí)巷道頂板和兩幫的垂直應(yīng)力分布。為監(jiān)測(cè)巷道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力的分布情況，分別在垂直于巷道頂板中部和兩幫中部布置一條10 m的測(cè)線(xiàn)，每隔0.5 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。塑性區(qū)和應(yīng)力分布情況分別如圖3和圖4所示。

圖3 不同埋深時(shí)巷道塑性區(qū)范圍

由圖3可知，側(cè)壓系數(shù)相同時(shí)，隨著埋深的不斷增加，作用在巷道的水平、垂直應(yīng)力不斷增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭退苄詤^(qū)的面積不斷增加，破壞情況更加嚴(yán)重，靠近頂?shù)装寮皟蓭洼^近處的破壞形式由埋深較小時(shí)的拉伸破壞逐漸變?yōu)槔羝茐模S著埋深的增大，巷道周邊拉剪破壞的范圍不斷增大，對(duì)巷道的整體穩(wěn)定更加不利。由圖4(a)可知，不同埋深的垂直應(yīng)力在距巷道兩幫2.5 m范圍內(nèi)分布基本相同；在2.5 m范圍外，隨著埋深的增大，巷道兩幫垂直應(yīng)力不斷增大，埋深800 m時(shí)的垂直應(yīng)力峰值等于埋深200 m時(shí)的4.33倍，且應(yīng)力集中系數(shù)為200 m時(shí)的1.17倍，垂直應(yīng)力峰值隨埋深增大逐漸遠(yuǎn)離巷道兩幫，說(shuō)明埋深較大時(shí)，巷道兩幫附近應(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重，兩幫的塑性區(qū)范圍隨埋深增加而增大，更不利于巷道的支護(hù)。垂直應(yīng)力增加到峰值后緩慢減小，隨著垂直應(yīng)力向圍巖深部發(fā)展，最終逐漸趨于原巖應(yīng)力。由圖4(b)可知，不同埋深的垂直應(yīng)力在巷道頂板上方1.5 m范圍內(nèi)分布基本相同，1.5 m范圍外，隨著埋深的增大，巷道頂板垂直應(yīng)力不斷增大，埋深800 m時(shí)在距巷道頂板10 m處的水平應(yīng)力增大為200 m時(shí)的3.81倍。

圖4 不同埋深頂板、巷幫垂直應(yīng)力分布

4 巷道支護(hù)優(yōu)化

4.1 圍巖控制原理

巷道開(kāi)挖后，原有的應(yīng)力平衡被打破，圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布，巷道周?chē)膸r體卸荷軟化，承載力降低。在大斷面巷道頂板撓曲下沉的過(guò)程中，由于層間剪切作用使各巖層產(chǎn)生滑移錯(cuò)動(dòng)，從而引起頂板的離層破壞。為防止頂板發(fā)生離層破壞，在頂板采用全錨索支護(hù)，通過(guò)對(duì)錨索施加高預(yù)緊力將各個(gè)分層緊密結(jié)合在一起，并且增加各分層之間的摩擦力，從而有效控制頂板的離層破壞，保證頂板巖梁的連續(xù)性。由于在松軟煤層內(nèi)全高掘進(jìn)巷道，造成松軟煤幫的破壞范圍增大，使巷道頂板的有效跨度增加，導(dǎo)致頂板有害變形增加，兩幫采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，使煤幫的支護(hù)強(qiáng)度得到加強(qiáng)，從而減小煤幫的破壞范圍，為頂板提供持續(xù)可靠的支撐，進(jìn)而保證巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。

4.2 支護(hù)方案

基于以上分析，結(jié)合數(shù)值模擬相關(guān)結(jié)果，優(yōu)化后的支護(hù)斷面和采用的支護(hù)方案如圖5所示。

4.2.1 頂板支護(hù)

采用全錨索支護(hù)，共布置5根錨索。錨索采用?22 mm×6400 mm的1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，加長(zhǎng)錨固，間排距為1200 mm×1200 mm，兩端錨索距幫部300 mm，尾部采用配套的高強(qiáng)度鎖具。托盤(pán)為配套的碟形托盤(pán)，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托盤(pán)。樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1970 mm，設(shè)計(jì)預(yù)緊力不低于250 kN。

4.2.2 兩幫支護(hù)

采用錨網(wǎng)索支護(hù)，每幫布置5根錨桿、2根錨索。錨桿為?22 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1000 mm×1200 mm，上部錨桿距頂板300 mm，下部錨桿距底板400 mm?？拷敯搴偷装鍘湾^桿安設(shè)角度與水平線(xiàn)成10°，其余均與巷幫垂直。采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)，托盤(pán)規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。錨索采用?22 mm×5400 mm的1×19股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，加長(zhǎng)錨固，間排距為1200 mm×1200 mm，尾部采用配套的高強(qiáng)度鎖具，托盤(pán)為配套的碟形托盤(pán)，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心托盤(pán)。樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨索錨固長(zhǎng)度為1970 mm，設(shè)計(jì)預(yù)緊力不低于150 kN。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了說(shuō)明該支護(hù)方案對(duì)巷道整體穩(wěn)定的控制效果，對(duì)試驗(yàn)段巷道進(jìn)行為期100 d的礦壓監(jiān)測(cè)。巷道變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖6所示。由圖6可知，巷道頂板最大下沉量為76 mm，兩幫最大移近量為98 mm，53101平巷在巷道掘進(jìn)期間，巷道圍巖變形不大，錨桿、錨索受力基本穩(wěn)定，個(gè)別錨索受掘進(jìn)動(dòng)壓影響導(dǎo)致受力變化較大，但是仍在錨索額定承受范圍之內(nèi)。53101平巷整體穩(wěn)定性得到有效保證，能夠滿(mǎn)足工作面回采要求。

圖5 支護(hù)方案示意圖

5 結(jié)論

(1)巷道埋深相同時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，兩幫的塑性區(qū)寬度逐漸變小，并逐漸向頂?shù)装灏l(fā)展，范圍逐漸變大。側(cè)壓系數(shù)相同時(shí)，隨著埋深的增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭退苄詤^(qū)范圍不斷增大，破壞情況更加嚴(yán)重。

(2)巷道埋深相同時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道兩幫垂直應(yīng)力峰值隨側(cè)壓系數(shù)的增大逐漸減小，并遠(yuǎn)離巷道兩幫。巷道頂板垂直應(yīng)力在一定范圍內(nèi)隨側(cè)壓系數(shù)增大而增大。側(cè)壓系數(shù)相同時(shí)，巷道頂板、兩幫的垂直應(yīng)力隨埋深增大而增大，兩幫垂直應(yīng)力峰值逐漸遠(yuǎn)離兩幫，巷道周邊圍巖的破壞范圍隨埋深增加而不斷加大。

(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，巷道頂板全錨索支護(hù)、兩幫錨網(wǎng)索支護(hù)的支護(hù)方案能夠有效保證大斷面、松軟煤幫巷道的整體穩(wěn)定，可為同類(lèi)型巷道圍巖支護(hù)提供一定的參考。

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Researchonstabilityanalysisandcontroloflargesectionsoftcoalroadway

Xiao Chenglong, Zhao Yong, Zhu Ye, Shi Guoli

(School of Mechanics and Architecture Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

In order to study the damage mechanism of large section roadway and effectively ensure the overall stability of large section roadway, taking Zhaozhuang Mine 53101 roadway as engineering background, using FLAC3D numerical simulation software for vertical stress distribution of roadway roof and two sides and plastic zone of surrounding rock under different depth and lateral stress coefficients. According to the characteristics of 53101 large section and soft coal roadway, combined with the analysis of numerical simulation, proposing full anchor support for roadway roof, cable anchor support for coal sides. In-situ monitoring result showed that the support scheme effectively controlled roadway hanging wall falling and roof damage, and the overall stability of roadway had been controlled favorably.

soft coal wall, large section roadway, buried depth, lateral stress coefficient

TD353

A

國(guó)家自然科學(xué)基金(51134025)

肖成龍，趙勇，朱曄等. 大斷面松軟煤幫巷道穩(wěn)定性分析及控制研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017，43(11)：51-54,68.

Xiao Chenglong, Zhao Yong, Zhu Ye, et al. Research on stability analysis and control of large section soft coal roadway [J]. China Coal，2017,43(11)：51-54,68.

肖成龍(1994-)，河北涿州人，在讀博士研究生，主要從事巷道圍巖控制方面的研究。

(責(zé)任編輯 陶 賽)