基于數(shù)值模擬方法對(duì)強(qiáng)動(dòng)壓下巷道變形分析

郭文舉

(大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000)

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，資源的極大使用，對(duì)煤炭的依賴仍是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱。目前，煤炭的開(kāi)發(fā)決定于巷道的安全使用，強(qiáng)動(dòng)壓的影響對(duì)巷道的使用威脅較為嚴(yán)重，急需解決。

韋四江等采用相似模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)穿錨索對(duì)采動(dòng)影響下的群硐室支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性[1]；張向東等采用耦合支護(hù)方法對(duì)采動(dòng)影響下的大硐室進(jìn)行了

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了理想效果[2]；尹光志等揭示了動(dòng)壓影響下巷道的蠕變規(guī)律[3]。對(duì)于強(qiáng)動(dòng)壓下巷道的支護(hù)已經(jīng)取得了豐碩成果，但是對(duì)于巷道的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)研究較少，本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)5111巷道大變形破壞進(jìn)行模擬分析，并對(duì)巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)距離進(jìn)行模擬，得出該地質(zhì)條件下補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)距離應(yīng)不小于30 m。

1 工程概況

1.1 巖體地質(zhì)情況(見(jiàn)表1)

表1 5111巷道巖體性質(zhì)

2 巷道支護(hù)

2.1 大變形前支護(hù)

5111巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 420 m，現(xiàn)已掘進(jìn)1 420 m，采用錨+索+網(wǎng)+帶聯(lián)合支護(hù)。采用Φ20 mm×2 200 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間距0.9 m，排距1.0 m，錨索采用Φ17.8 mm×6 000 mm 1860級(jí)低松弛鋼絞線，采用“二一二”布置，間排距均為2.0 m。

2.2 變形后補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

5111巷因巷道有壓力需要補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)研究決定：

1) 370 m～490 m、540 m～600 m、800 m～840 m段施工角錨索和幫錨桿間距均為2 m，兩幫均施工。

2) 600 m～640 m在靠近09的一側(cè)施工角錨索和角錨桿間距均為1 m。

3) 角錨索規(guī)格：Φ17.8 mm×8 000 mm，托盤(pán)350 mm×350 mm×10 mm；幫錨索規(guī)格：Φ17.8 mm×6 000 mm，托盤(pán)350 mm×350 mm×10 mm；錨索錨固長(zhǎng)度為1 500 mm，樹(shù)脂使用MSCK2330 1支，MSCK2360 2支。

3 巷道變形監(jiān)測(cè)

巷道掘進(jìn)完成后，圍巖比較穩(wěn)定，隨著相鄰采區(qū)的開(kāi)采，巷道出現(xiàn)了大變形狀況，如圖1所示。巷道底板隆起比較嚴(yán)重，巷道幫部和頂部煤體發(fā)生了嚴(yán)重破碎，導(dǎo)致巷道的持續(xù)性變形。為了能夠維持巷道的繼續(xù)使用，采用了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，但是未能達(dá)到預(yù)期效果。通過(guò)數(shù)顯收斂計(jì)對(duì)巷道的變形進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，記錄其具體變形數(shù)據(jù)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)巷道變形

4 數(shù)值模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變形情況分析，巷道大變形主要集中在400 m～800 m，故本文取巷道400 m～800 m進(jìn)行開(kāi)采分析。本文采用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)采動(dòng)影響下巷道圍巖變形進(jìn)行模擬[4-6]，采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，應(yīng)用位移邊界條件約束模型邊界。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用位移反分析方法獲得巖體力學(xué)參數(shù)。建立400 m×400 m×40 m的模型，如圖2所示。為了更加詳細(xì)地體現(xiàn)巷道在動(dòng)壓下的應(yīng)力和應(yīng)變，對(duì)巷道處網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。

圖2 數(shù)值模型圖

5 模擬分析

5.1 模擬過(guò)程

為了能夠與實(shí)際更加符合，模擬過(guò)程與實(shí)際施工順序一致，先對(duì)5111巷進(jìn)行掘進(jìn)模擬，然后對(duì)煤層進(jìn)行開(kāi)采模擬，對(duì)巷道產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，為了分析巷道破壞原因，我們采用了3種支護(hù)形式進(jìn)行對(duì)比分析：

1) 采用巷道支護(hù)的原先形式，等開(kāi)采產(chǎn)生部分變形后再進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2) 巷道掘進(jìn)時(shí)就將原先支護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)運(yùn)用在巷道上。

3) 在采煤斷面與巷道加強(qiáng)支護(hù)斷面距離分別為26 m、28 m 、30 m和32 m的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

5.2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，原先支護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)同時(shí)進(jìn)行能夠完全在動(dòng)壓下維持巷道的穩(wěn)定，未出現(xiàn)巷道大變形，能夠正常維持巷道的運(yùn)營(yíng)，從模擬后的應(yīng)力狀態(tài)可以看出，巷道頂板和底板的應(yīng)力比兩幫的壓力要小。這是由于，巷道除受到原巖應(yīng)力作用，還受到巷道擠壓應(yīng)力的作用。所以，在受強(qiáng)動(dòng)壓影響下的巷道要對(duì)幫部進(jìn)行特殊支護(hù)，可以在巷道角部噴射混凝土來(lái)確保應(yīng)力集中部分不發(fā)生破壞。

通過(guò)對(duì)采煤斷面與巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面距離的數(shù)值模擬對(duì)600 m處巷道變形進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取繪制，如圖3所示。圖3中顯示，26 m、28 m都不能滿足現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)使用的要求，30 m、32 m都能滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巷道繼續(xù)使用的要求。

圖3 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

6 5111巷道在強(qiáng)動(dòng)壓下發(fā)生破壞原因分析

6.1 前期支護(hù)強(qiáng)度不夠

由于巷道前期支護(hù)不能滿足基本的理論支護(hù)，導(dǎo)致在煤層開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力增加到3倍～5倍，導(dǎo)致巷道原巖破碎區(qū)向塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，而塑性區(qū)逐漸向彈性區(qū)擴(kuò)張，引起巷道四周快速向巷道中心靠攏。

6.2 后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)不及時(shí)

巷道出現(xiàn)較大變形時(shí)未能及時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，導(dǎo)致后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的錨桿處于巖體破碎區(qū)，不能起到原有的組合拱作用。同時(shí)，由于采區(qū)的持續(xù)性開(kāi)采，對(duì)于原來(lái)強(qiáng)度不足的情況更加嚴(yán)重，出現(xiàn)后期巷道無(wú)法繼續(xù)使用。

7 結(jié)論

1) 5111巷道發(fā)生破壞的主要原因是設(shè)計(jì)不合理，前期支護(hù)強(qiáng)度不足，后期在強(qiáng)動(dòng)壓的影響下又不能夠進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2) 受多次影響的巷道應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，確保在發(fā)生較大變形時(shí)能夠及時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3) 通過(guò)數(shù)值模擬分析，采煤區(qū)與巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面截距應(yīng)不小于30 m。