周 桂 杰

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

當(dāng)前，我國(guó)淺部煤炭資源逐漸被消耗殆盡，煤礦開(kāi)采不斷向著圍巖賦存環(huán)境復(fù)雜的地球深部延伸[1-5]，大跨度回采巷道空間大，方便運(yùn)輸通風(fēng)，得到了廣泛應(yīng)用。大跨度巷道比一般巷道變形破壞大，容易造成安全事故，研究大跨度巷道的巷道圍巖變形破壞規(guī)律對(duì)采煤有著重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大跨度巷道展開(kāi)了一系列研究，劉勇洪[6]針對(duì)大跨度矩形巷道大變形和破壞問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和理論分析研究了巷道變形破壞機(jī)理。張理生[7]研究了福城煤礦1 302大跨度南切眼，提出了高強(qiáng)度長(zhǎng)錨桿、加厚“W”鋼帶、鋼筋網(wǎng)、高預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)錨索梁及單體支柱的聯(lián)合支護(hù)形式，能夠有效控制巷道圍巖的穩(wěn)定性。張向東等[8]研究了在多次采動(dòng)影響下大跨度煤巷支護(hù)比較困難的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件和巖體特性的研究，提出了錨網(wǎng)索帶注耦合支護(hù)方案。本文通過(guò)對(duì)某礦工作面回采巷道不同跨度的數(shù)值模擬研究，得出隨著巷道跨度增加巷道圍巖變形破壞規(guī)律，為大跨度回采巷道的支護(hù)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

工作面回采巷道處在五采區(qū)，地理位置對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+34.70 m，標(biāo)高范圍為-423.1～672.8 m，走向長(zhǎng)度范圍為980.5～1 080.8 m，傾斜長(zhǎng)度范圍為97.4～324.7 m，總面積可達(dá)304 740 m2。該工作面北向是還未開(kāi)采的實(shí)體煤及其自身保護(hù)煤柱；南向是-720軌道暗斜井、-720皮帶暗斜井和-720回風(fēng)暗斜井及其保護(hù)煤柱；東向是南軌大巷、南皮大巷和自身保護(hù)煤柱、2301老空區(qū)、F30斷層和自身保護(hù)煤柱；西向是還沒(méi)有進(jìn)行開(kāi)采的實(shí)體煤。劉莊、丘黃莊及王飯棚三村莊是工作面對(duì)應(yīng)地表，地表上設(shè)施會(huì)受到工作面回采地表塌陷的影響。

由相鄰的回采工作面煤層厚度變化情況和工作面巷道掘進(jìn)時(shí)實(shí)際量測(cè)煤層厚度，煤層厚度變化不大，變化規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作面里面部分煤層稍薄，總體影響小，最大煤層厚度為3.0 m，最小煤層厚度為1.5 m，平均為2.56 m，工作面整體上煤層為穩(wěn)定煤層，工作面回采巷道平面圖如圖1所示。

2 物理力學(xué)試驗(yàn)

該礦同類區(qū)巷道巖石的巖性相差不大，根據(jù)同類區(qū)的巖石物理力學(xué)試驗(yàn)，參考引用巖石的密度、波速、含水率、抗拉強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度等，以便為后續(xù)數(shù)值模擬提供依據(jù)，數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 回采巷道平面圖

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

根據(jù)煤礦工作面回采巷道的工程地質(zhì)條件，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D研究不同跨度巷道的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)。

3.1 數(shù)值模型的建立

工作面回風(fēng)巷煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂為細(xì)砂巖，直接底為砂紙泥巖，基本底為中粒砂巖，巷道埋深約600 m。建立長(zhǎng)50 m、高60 m、縱深方向長(zhǎng)10 m的三維模型，本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，巷道斷面為矩形，位置在模型正中心，巷道及距離巷道較近的位置對(duì)網(wǎng)格加密處理，在遠(yuǎn)離巷道不影響計(jì)算精度的網(wǎng)格尺寸適當(dāng)擴(kuò)大，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為45 738，單元數(shù)為40 280。

(1)邊界條件。模型頂部施加上覆巖層的自重應(yīng)力，模型前后及左右為鉸支，底邊為固支。模型示意圖如圖2所示。

(2)煤巖體物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)表2巖石的物理力學(xué)數(shù)據(jù)，可以得出數(shù)值模擬所需的參數(shù)，具體參數(shù)如表2所示。

3.2 模擬方案

主要模擬巷道跨度不同，研究巷道斷面的位移、應(yīng)力和塑性區(qū)。研究如下3種工況：

工況一：回風(fēng)巷的高度為2.8 m，巷道跨度為4.6 m；

工況二：回風(fēng)巷的高度為2.8 m，巷道跨度為5.5 m；

工況三：回風(fēng)巷的高度為2.8 m，巷道跨度為6.4 m。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型圖

表2 數(shù)值模型參數(shù)表

3.3 模擬結(jié)果

研究開(kāi)挖過(guò)程中巷道斷面頂?shù)装寮皟蓭臀灰?，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在巷道頂?shù)装寮皟蓭偷闹胁?，監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭椭胁课灰?，?yīng)力和塑性區(qū)通過(guò)塑性區(qū)云圖呈現(xiàn)。

(1)不同工況下巷道頂?shù)装寮皟蓭椭胁课灰迫绫?所示，隨著巷道跨度從4.6 m增加到6.4 m，左幫移近量從203.6 mm增加至225.53 mm，右?guī)鸵平繌?02.89 mm增加至226.28 mm，頂板移近量從127.4 mm增加至161.37 mm，底鼓量從91.82 mm增加至109.23 mm，頂板增加幅度大，因此對(duì)于大跨度巷道，要加強(qiáng)頂板的支護(hù)。

(2)模擬在工況一、工況二、工況三情況下應(yīng)力及塑性區(qū)云圖分別如圖3～圖5所示。隨著跨度從4.6 m增加至6.4 m，最大垂直應(yīng)力從24.39 MPa增加至25.91 MPa，且距離巷道邊緣距離慢慢變大，塑性區(qū)的面積隨著跨度增加越來(lái)越大，巷道圍巖屈服破壞嚴(yán)重，可見(jiàn)對(duì)于大跨度巷道，要增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)對(duì)變化。

表3 巷道斷面位移

(a) 垂直應(yīng)力圖 (b) 圍巖屈服破壞圖

(a) 垂直應(yīng)力圖 (b) 圍巖屈服破壞圖

(a) 垂直應(yīng)力圖 (b) 圍巖屈服破壞圖

4 對(duì)比驗(yàn)證

根據(jù)廖保明[9]研究，最大撓度計(jì)算公式為：

(1)

其中：w為巷道頂板巖層的撓度，m；l為巖層寬度，m；S為巷道頂板巖層張力，kN/m；h為巖層的厚度，m；E為巖層的彈性模量，MPa；μ為泊松比；q為均布載荷。

根據(jù)理論計(jì)算公式可得，巷道跨度l越大，巷道的最大撓度wmax也越大，從而巷道跨度越大頂板彎曲變形越嚴(yán)重，越容易斷裂破壞。根據(jù)大量的工程監(jiān)測(cè),大跨度巷道頂板離層范圍都在4～6 m，有些甚至更大，這與模擬結(jié)果一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 隨著巷道斷面跨度的增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰撇粩嘣龃?，其中頂板增加幅度較大，對(duì)于大跨度巷道，要加強(qiáng)對(duì)頂板的支護(hù)。

(2) 垂直應(yīng)力隨著跨度的增加不斷增加，且與巷道邊緣距離慢慢變大，巷道塑性區(qū)面積變大，巷道圍巖屈服破壞嚴(yán)重。