軟巖大巷斷面形式選擇及支護參數(shù)研究

李宏斌賀瑞彬王德雪李 臣（.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,07000; .中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),00083）

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軟巖大巷斷面形式選擇及支護參數(shù)研究

李宏斌1賀瑞彬2王德雪1李 臣2
（1.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,017000; 2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083）

摘要塔拉壕煤礦2＃煤層西翼輔運大巷埋深134 m,頂板為泥巖和粉砂巖,巖性較弱,巷道支護困難。通過數(shù)值模擬對比矩形斷面巷道與直墻拱形斷面巷道的頂板破壞范圍及特點,確定西翼輔運大巷采用矩形斷面,給出了巷道的合理支護參數(shù)。

關(guān)鍵詞軟巖巷道 斷面形式 數(shù)值模擬 巷道支護 支護參數(shù)

軟巖巷道支護一直是我國煤礦開采中的一個難題,對于這一難題的研究,我國已發(fā)展了多種理論。伴隨這些理論,涌現(xiàn)了大量計算方法,如有限單元法、離散元法、邊界元法、有限差分法等。近些年,FLAC、UDEC、RFPA、ADINA等數(shù)值模擬軟件相繼問世,為解決地下工程支護問題提供了良好的途徑。本文運用FLAC數(shù)值模擬確定塔拉壕煤礦2＃煤層西翼輔運大巷的斷面形式與支護參數(shù),為其他類似條件煤礦的大巷支護提供示例。

1　地質(zhì)概況

塔拉壕煤礦隸屬于內(nèi)蒙古伊泰集團,地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)境內(nèi)。井田為西南傾向單斜構(gòu)造,煤層傾角小于5°,埋深100～350 m。2＃煤層西翼輔運大巷布置在煤層中,沿煤層自西向東掘進,巷道埋深134 m。輔運大巷位于侏羅系中－下統(tǒng)延安組內(nèi),巖性主要由一套淺灰、灰白色各粒級的砂巖及灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖和煤層組成,發(fā)育有水平紋理及波狀層理。輔運大巷直接頂為泥巖,平均厚度4.46 m,含豐富植物化石碎片,巖性較弱;直接頂之上為粉砂巖,平均厚度6.94 m,巖性以石英長石為主,含暗色巖屑及煤屑,半堅硬;直接底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度8.82 m,含豐富植物化石碎片及少量煤屑,半堅硬。總的來說,2＃煤層西翼輔運大巷頂?shù)装鍡l件較差,巖石自然狀態(tài)下抗壓強度在0.4～16.3MPa之間,屬于軟巖巷道。

2　輔運大巷斷面形式選擇

一直以來,科研人員對巷道支護方式及支護參數(shù)的選取、優(yōu)化分析較多,而對巷道斷面形式的選取、優(yōu)化考慮較少,但巷道斷面形式直接影響巷道圍巖塑性區(qū)分布,塑性區(qū)分布又對支護方式的選取及支護效果的好壞有重要影響,因此,合理地選擇巷道斷面形式往往可以起到事半功倍的效果。下面結(jié)合塔拉壕煤礦2＃煤層西翼輔運大巷的地質(zhì)特點,在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,比較直墻拱形巷道與矩形巷道的優(yōu)劣,選取合理的斷面形式。

2.1巷道圍巖塑性區(qū)分布

通過運用FLAC數(shù)值模擬分析直墻拱形巷道和矩形巷道開挖后的塑性區(qū)破壞范圍。以2＃煤層西翼輔運大巷為計算模型,巷道埋深134 m,煤厚2.5 m。煤層上方巖層依次為泥巖厚度約4.5 m,粉砂巖厚度約7.0 m,細粒砂巖厚度約8.0 m。煤層下方巖層依次為砂質(zhì)泥巖厚度約9 m,粉砂巖厚度約11 m。拱形巷道寬5.5 m,直墻高1.5 m,拱高3.0 m;矩形巷道寬5.5 m,高4.0 m。模型長46 m,寬10 m,高42 m。模型塊體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾－庫侖準(zhǔn)則。邊界條件為四周鉸支,底部固支,上部為自由邊界。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

模擬矩形巷道與拱形巷道開挖后的圍巖塑性區(qū)破壞范圍如圖1所示。

圖1　矩形巷道與拱形巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

從圖1可看出,開挖后拱形巷道的頂板塑性區(qū)破壞范圍要小些,其頂板塑性區(qū)范圍為0～2 m,而矩形巷道為0～3 m。同時拱形巷道頂板塑性區(qū)范圍同斷面形式相吻合,說明頂板受力均勻,穩(wěn)定性高。兩種巷道幫部塑性區(qū)破壞范圍基本相同,為0～2 m。拱形巷道底板塑性區(qū)破壞范圍要稍大于矩形巷道。

2.2巷道圍巖主應(yīng)力分布

根據(jù)莫爾－庫侖剪切破壞準(zhǔn)則,圍巖所受主應(yīng)力與發(fā)生剪切破壞有緊密聯(lián)系,它從根本上決定了巷道圍巖剪切破壞的范圍大小。因此,為深入分析巷道圍巖主應(yīng)力分布規(guī)律,在巷道斷面模型中,沿垂直于巷道頂板、幫部及底板方向分別設(shè)置一條15 m長的監(jiān)測線,每條監(jiān)測線均勻布置15個監(jiān)測點。由于建立的模型左右對稱,其兩幫所受主應(yīng)力基本相同,故幫部僅監(jiān)測右?guī)汀＞C合處理每條監(jiān)測線的記錄數(shù)據(jù),結(jié)果如圖2所示。

由圖2（a）可看出矩形巷道在至頂板0～11 m范圍內(nèi),圍巖所受最大主應(yīng)力基本維持在4 MPa左后,接著迅速增加,在12 m處達到峰值約5 MPa,之后最大主應(yīng)力緩慢降低;拱形巷道在至頂板0～9 m范圍內(nèi)最大主應(yīng)力從2 MPa緩慢增加至峰值5 MPa,之后逐漸降低。由圖2（b）可看出矩形巷道與拱形巷道至幫部15 m范圍內(nèi)最大主應(yīng)力變化趨勢一樣,均是先增大后減小,且峰值均約為6 MPa,但矩形巷道峰值出現(xiàn)在至巷道幫部5 m處,拱形巷道在3 m處。由圖2（c）可看出矩形巷道與拱形巷道至底板15 m范圍內(nèi)最大主應(yīng)力大小及變化趨勢幾乎一樣。綜合分析可得出矩形巷道頂板及幫部圍巖所受最大主應(yīng)力的大小及范圍均大于拱形巷道,受力狀態(tài)稍差。

圖2　矩形巷道與拱形巷道圍巖主應(yīng)力分布圖

2.3巷道圍巖位移特征

為了深入分析巷道圍巖的變形特征,在兩種巷道圍巖位移矢量圖中,沿垂直于巷道頂板、幫部及底板方向分別設(shè)置一條10 m長的監(jiān)測線,每條監(jiān)測線均勻布置10個監(jiān)測點,由于巷道模型左右對稱,幫部依然只監(jiān)測右?guī)?。綜合處理各條監(jiān)測線的記錄數(shù)據(jù),結(jié)果如圖3所示。

圖3　矩形巷道與拱形巷道圍巖位移圖

從圖3可得出兩種巷道圍巖位移量均隨著至巷道表面距離的增加而減小,當(dāng)距離增加到一定程度時,圍巖位移量幾乎為零。由圖3（a）可看出矩形巷道頂板位移量在0～7 m范圍內(nèi)大于拱形巷道,之后兩者位移量基本相同,均小于30 mm。由圖3（b）和（c）可看出矩形巷道和拱形巷道幫部與底板圍巖位移量基本相同。

2.4巷道斷面形式選擇

綜合上述模擬結(jié)果分析可得出,直墻拱形巷道的頂板塑性區(qū)范圍要小于矩形巷道,但底板塑性區(qū)范圍稍大,兩者幫部塑性區(qū)范圍基本相同;直墻拱形巷道的頂板及幫部圍巖最大主應(yīng)力大小及范圍要小于矩形巷道,兩者底板受力幾乎相同;直墻拱形巷道的頂板圍巖位移量小于矩形巷道,幫部及底板位移量無明顯差別。從這些結(jié)論可判定在淺埋軟巖中布置大巷,直墻拱形斷面形式的受力狀態(tài)及穩(wěn)定性要優(yōu)于矩形斷面形式,但差別不大。在滿足安全和使用要求的條件下,巷道斷面的選擇要遵循斷面利用率高、造價低、便于快速施工的原則。在實際工程實踐中,直墻拱形巷道由于上部拱掘進困難,支護工程難度大,導(dǎo)致掘進速度較慢,且工程成本及人工成本較高;而矩形巷道由于成形規(guī)整,因此施工工藝簡單,施工速度快,成本低,且巷道斷面利用率高。從施工工藝復(fù)雜程度、施工速度及經(jīng)濟成本來說,矩形巷道要優(yōu)越得多。因此塔拉壕煤礦2＃煤層西翼輔運大巷最終選用矩形斷面形式。

3　巷道支護參數(shù)選取

巷道開挖后,圍巖應(yīng)力重新分布,在進行人工支護之前,頂板圍巖會因為應(yīng)力超過自身強度而產(chǎn)生變形破壞,破裂嚴(yán)重的圍巖失去層間聯(lián)系因重力作用而發(fā)生垮落,其范圍類似一個拱形,稱之為冒落拱。冒落拱的高度即為巷道頂板在自然條件下的破壞深度,錨桿（索）的作用就是將冒落拱內(nèi)圍巖懸吊在上部穩(wěn)定巖層中,錨桿（索）所需要提供的承載力要大于冒落拱內(nèi)圍巖的重量。根據(jù)冒落拱理論計算得出2＃煤層西翼輔運大巷的支護參數(shù)如下:

（1）頂板采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,規(guī)格為?20 mm×2300 mm,每排7根,間排距為800 mm ×800 mm,錨桿錨固長度不小于1000 mm,錨固力不小于100 k N,扭矩力不低于200 N·m。

（2）頂板錨索規(guī)格為?17.8 mm×6300 mm, 2－2布置,間排距2000 mm×2400 mm,錨索錨固長度不小于2000 mm,預(yù)緊力不低于200 k N,錨固力不小于280 k N。

運用FLAC數(shù)值模擬軟件,在模擬矩形巷道開挖后塑性區(qū)破壞范圍的基礎(chǔ)上布置錨桿與錨索,當(dāng)應(yīng)力重新達到平衡時,模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4　支護條件下矩形巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

將圖4與圖1（b）比較可知,布置錨桿與錨索后,巷道頂板圍巖塑性區(qū)范圍明顯縮小,由支護前的0～3 m縮小到0～2 m,剪切破壞區(qū)域也減少,說明錨桿錨索能顯著改善頂板巖體的力學(xué)性能,此時錨桿錨索完全能將頂板淺部圍巖錨固在深部穩(wěn)定巖層中,能滿足巷道安全使用的需要。

4　支護效果監(jiān)測

塔拉壕煤礦2＃煤層西翼輔運大巷掘進期間采用了上述的錨桿錨索支護參數(shù)。為驗證支護參數(shù)的合理性,在距巷道口500～800 m處進行了工業(yè)性試驗,其中600 m與750 m處頂板較其他地方更加破碎,下沉量大,因此特選取這兩處安裝機械式深基點位移計,監(jiān)測頂板在大巷掘進期間的位移量。根據(jù)實測數(shù)據(jù),繪制成如圖5所示的頂板垂直位移曲線圖。

從圖5可看出,0～5 d內(nèi)600 m與750 m處的巷道頂板均未出現(xiàn)下沉。5～30 d內(nèi)頂板垂直位移緩慢增加,兩處垂直位移量均很小,基本在5 mm以內(nèi)。600 m處巷道頂板垂直位移量在30～60 d內(nèi)快速增大,在60 d時接近25 mm;60 ～80 d內(nèi)位移量基本穩(wěn)定在25 mm左右。在30～52 d內(nèi)750 m處巷道頂板垂直位移量迅速增大, 在52 d時接近20 mm;52～80 d內(nèi)位移量基本穩(wěn)定在20 mm左右,稍有增加。從數(shù)據(jù)可看出回采期間輔運大巷600 m與750 m處頂板下沉量均不大,說明錨桿錨索支護起到了很好的效果,可以保證巷道安全。

圖5　輔運大巷600 m與750 m處頂板垂直位移曲線圖

5　結(jié)論

（1）通過分析數(shù)值模擬結(jié)果得出,在淺埋軟巖中布置輔運大巷,大巷采用直墻拱形斷面形式時受力狀態(tài)及穩(wěn)定性要優(yōu)于矩形斷面形式,但優(yōu)勢不明顯,而矩形斷面巷道施工工藝簡單、施工速度快、成本低,在支護得當(dāng)?shù)那闆r下能滿足巷道安全使用的要求,因此塔拉壕煤礦2＃煤層西翼輔運大巷選取矩形斷面形式。

（2）通過實際布置深基點位移計監(jiān)測大巷在掘進期間的頂板下沉量,得出2＃煤層西翼輔運大巷在600 m處頂板垂直位移量最終穩(wěn)定在25 mm左右,750 m處頂板垂直位移量最終穩(wěn)定在20 mm左右,頂板下沉量均不大,說明輔運大巷采用矩形斷面形式和上述支護參數(shù)能滿足安全使用的需要。

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（責(zé)任編輯張毅玲）

Research on cross-section form selection and supporting parameters of soft rock main roadway

Li Hongbin1,He Ruibin2,Wang Dexue1,Li Chen2
（1.Inner Mongolia Yitai Coal Co.,Ltd.,Ordos,Inner Mongolia 017000,China; 2.School of Resources&Safety Engineering,China University of Mining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China）

AbstractThe buried depth of the auxiliary transport roadway in the west of No.2 seam in Talahao Coal Mine was 134 m,and the roof was composed of mudstone and siltstone,whose lithology was weak,and the roadway supporting was difficult. The roof destruction range and characteristics of rectangular cross-section roadway and those of arched cross-section roadway with vertical walls were compared by numerical simulation,which selected the rectangular crosssection as the cross-section form of the auxiliary transport roadway,and the reasonable supporting parameters of the roadway were worked out.

Key wordssoft rock roadway,cross-section form,numerical simulation,roadway support, supporting parameters

作者簡介:李宏斌（1972－）,男,陜西省渭南市大荔縣人,工程師,現(xiàn)任內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司塔拉壕煤礦總工程師,1994年從阜新礦業(yè)學(xué)院畢業(yè)后一直從事煤礦開采、礦井建設(shè)技術(shù)研究等工作。

中圖分類號TD353

文獻標(biāo)識碼A