張玉娜

【摘 要】 運(yùn)用數(shù)值計(jì)算模擬方法對(duì)巷道開挖后圍巖力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合巷道所處區(qū)域工程地質(zhì)條件，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用數(shù)值計(jì)算模擬方驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性。本文以山西華寧焦煤集團(tuán)崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道為工程背景，進(jìn)行巷道開挖后的力學(xué)效應(yīng)分析，并結(jié)合崖坪煤礦15202回風(fēng)順槽所處區(qū)域的工程地質(zhì)特征和煤巖力學(xué)特性，進(jìn)行了崖坪煤礦15202回采巷道支護(hù)參數(shù)的確定。對(duì)支護(hù)后的回采巷道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，分析了支護(hù)后巷道圍巖的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了所采用的支護(hù)參數(shù)可以有效進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性控制。

【關(guān)鍵詞】 回采巷道;數(shù)值模擬;圍巖;支護(hù)

【中圖分類號(hào)】 TD322.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）06-0013-03

回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制是煤礦安全高效開采的基礎(chǔ)，使用數(shù)值計(jì)算模擬方法對(duì)巷道開挖后圍巖力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)合支護(hù)設(shè)計(jì)理論，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用數(shù)值計(jì)算模擬方法對(duì)支護(hù)后的巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)回采巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究，余偉健等對(duì)薄煤層開采軟弱煤巖體巷道變形特征與穩(wěn)定控制進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了煤巖體層間滑移與巷道圍巖失穩(wěn)的本構(gòu)方程，為薄煤層開采軟弱煤巖體巷道支護(hù)提供了理論基礎(chǔ);何滿潮等進(jìn)行了無煤柱自成巷與常規(guī)巷道開采應(yīng)力場(chǎng)分布特征對(duì)比分析的研究，揭示了回采巷道掘進(jìn)引起的煤柱應(yīng)力分布規(guī)律。

1煤巖力學(xué)特性

山西華寧焦煤崖坪煤礦目前主要開采 2 號(hào)煤層。15202工作面位于崖坪煤礦北部區(qū)域，煤層平均埋深為600m。15202工作面沿煤層傾向東西布置，南部區(qū)域?yàn)?5201 工作面采空區(qū)，北部為未開采的15203工作面。15202回風(fēng)巷道沿底板掘進(jìn)，掘進(jìn)尺寸4000mm×3000mm。

通過對(duì)崖坪煤礦2號(hào)煤層頂?shù)走M(jìn)行巖石力學(xué)測(cè)試，得到其煤巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2無支護(hù)下15202工作面回風(fēng)巷道模擬分析

2.1 15202回風(fēng)順槽模型

通過分析崖坪煤礦2號(hào)煤層的地質(zhì)資料，確定2號(hào)煤層平均埋深為550m，2號(hào)煤層平均厚度為4.2m。巷道頂板主要分布巖層為砂質(zhì)泥巖和粗粒砂巖。本次數(shù)值計(jì)算取頂板厚度為30m，底板主要由粉砂質(zhì)泥巖組成，底板模擬取8.5m，巷道兩幫各25m。模型邊界條件為水平移動(dòng)邊界，底部為固定邊界。15202回風(fēng)巷道模型如圖1所示。

2.2無支護(hù)下150202回風(fēng)巷道模擬分析

由于崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道的開挖，打破了原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，使其應(yīng)力重新分布。

（1）圍巖垂直應(yīng)力分布

崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖2所示。

由圖2可知：垂直應(yīng)力在頂板中間2.0m內(nèi)降低，兩幫的垂直應(yīng)力是對(duì)稱分布的，應(yīng)力減小區(qū)出現(xiàn)在1.0米范圍內(nèi)，應(yīng)力平衡區(qū)在1.0-1.5米范圍內(nèi)。在1.5米外形成垂直應(yīng)力上升區(qū)（應(yīng)力芯區(qū)），垂直應(yīng)力峰位于1.7米，為11.5MPa。

（2）圍巖水平應(yīng)力

崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道開挖后圍巖水平應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

由圖3可知：水平應(yīng)力逐漸恢復(fù)到頂板上方8.0米的原始巖石應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)錨固原理和關(guān)鍵層理論，頂板上方6.9m以上的巖層為堅(jiān)硬的砂質(zhì)泥巖，如果巷道圍巖設(shè)計(jì)錨索補(bǔ)強(qiáng)，其長(zhǎng)度應(yīng)在8.2m以上。巷道幫部水平應(yīng)力區(qū)嚴(yán)重減少是塑料區(qū)，其范圍小于1.5米。

3支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及圍巖穩(wěn)定性分析

3.1支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

由崖坪煤礦2號(hào)煤層地質(zhì)資料可知，15202工作面回風(fēng)巷道所處圍巖是分層連續(xù)性的巖性特征，應(yīng)結(jié)合梁理論和懸索理論進(jìn)行頂板錨桿支護(hù)。即頂板通過錨桿錨固形成組合梁，并確保錨固結(jié)構(gòu)能夠使得拱形負(fù)載體懸掛在穩(wěn)定的巖層中的頂板中。結(jié)合15202工作面回風(fēng)巷無支護(hù)下巷道水平應(yīng)力分布和垂直應(yīng)力分布規(guī)律，確定如下支護(hù)參數(shù)：

錨桿的排距和間距為900mm;錨索行距1800mm，間距1400mm;幫錨桿排距和間距為900mm。網(wǎng)片規(guī)格：采用經(jīng)緯金屬網(wǎng)，錨桿材質(zhì)均選用左旋無縱筋螺紋鋼筋。

3.2支護(hù)后圍巖穩(wěn)定性分析

（1）圍巖垂直應(yīng)力

崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

由圖5可知：巷道圍巖的垂直應(yīng)力分布明顯優(yōu)于無支撐狀態(tài)。0.6-1.1米區(qū)域內(nèi)達(dá)到應(yīng)力平衡，垂直應(yīng)力增加較大的區(qū)域在1.1米區(qū)域以外。防止垂直應(yīng)力高峰移動(dòng)到巷道深處，可以提高巷道幫部圍巖的強(qiáng)度。

（2）圍巖水平應(yīng)力

崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖如下圖4-3所示。

由圖6可知：頂板2.0m隨著圍巖的水平應(yīng)力逐漸上升到原始巖石應(yīng)力狀態(tài)。從水平應(yīng)力分布的角度來看，巷道頂板的圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4結(jié)論

通過運(yùn)用FLAC-3D軟件，采取彈塑性材料模型，運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則對(duì)山西華寧焦煤集團(tuán)崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，確定了崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道圍巖的垂直和水平應(yīng)力分布，通過分析開挖后在無支護(hù)條件下巷道極易產(chǎn)生破壞。并根據(jù)崖坪煤礦15202回風(fēng)巷道所處區(qū)域的工程地質(zhì)特征和煤巖力學(xué)特性，確定了15202回風(fēng)順槽巷道支護(hù)參數(shù)。通過進(jìn)行支護(hù)后的15202回風(fēng)巷道模擬結(jié)果分析，驗(yàn)證了支護(hù)方案的合理性。

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