表面支護與圍巖加固對大巷塑性區(qū)發(fā)育的影響研究

黃 勇，王志堅，劉傳義，田文龍，劉 垚，許金夢

(1.山西潞安化工集團 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046103；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

隨著煤炭開采深度的增加，復(fù)雜的工程地質(zhì)條件與特殊的圍巖力學(xué)性質(zhì)使巷道變形問題日趨嚴重，暢通、穩(wěn)定的巷道是煤礦安全生產(chǎn)的基本保障。針對煤礦大巷的大變形問題，最為典型的支護方法有圍巖加固和表面支護[1-2].常用的圍巖加固手段包括錨桿支護[3]和錨索支護[4]，由于錨桿支護和錨索支護中桿體或者索體可以進入巖體內(nèi)部，并由錨固劑(樹脂或水泥砂漿)與周圍巖體黏結(jié)在一起[5]，通過機械咬合力和摩擦力提供支護阻力[6]，所以可以有效提高巖體的穩(wěn)定性并充分發(fā)揮巖體的自承能力[7].錨桿(索)支護自20世紀初在煤礦應(yīng)用成功之后，在礦山硐室加固和巷道加固中被大量應(yīng)用[8].與圍巖加固不同，表面支護泛指在巷道或硐室表面采用砌碹[9]、噴射混凝土[10]或錨網(wǎng)[11]等方式對開挖空間表面進行維護的支護方法。工程實踐結(jié)果表明，當(dāng)開挖空間周圍巖體較為破碎時，表面支護可以有效維持開挖空間表面巖體的穩(wěn)定性[12-13].本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，以余吾煤業(yè)北風(fēng)井西翼采區(qū)為研究對象，采用數(shù)值模擬研究圍巖加固和表面支護兩種方式對西翼采區(qū)開拓大巷的支護效果，對比兩種不同的支護方式對開拓大巷穩(wěn)定性及塑性區(qū)分布的影響作用，以期為優(yōu)化西翼采區(qū)開拓大巷的支護方式提供一定的理論參考。

1 礦井概況

余吾煤業(yè)主要開采3#煤層，煤層平均厚度6.02 m，埋深約531 m，設(shè)計生產(chǎn)能力為7.5 Mt/a，礦井采用立井單水平開拓，長壁綜采放頂煤采煤法。整個礦井劃分為9個采區(qū)，目前正在對北風(fēng)井西翼采區(qū)進行開采，西翼采區(qū)采掘工程平面圖見圖1.

圖1 西翼采區(qū)采掘工程平面圖

為了保證北風(fēng)井西翼采區(qū)開采過程中采、掘、機、運、通等各個生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在西翼采區(qū)布置了5條開拓大巷，包括1條進風(fēng)大巷，2條回風(fēng)大巷，1條運輸大巷和1條輔助運輸大巷。但現(xiàn)場實施中發(fā)現(xiàn)，西翼采區(qū)開拓大巷變形破壞極其嚴重，頂板下沉量大，下沉量最大達2.5 m左右，巷道左右兩幫縮進嚴重，縮進量最大達1 m左右，回風(fēng)大巷部分區(qū)段甚至出現(xiàn)巷道閉合的現(xiàn)象。

針對上述問題，目前采取挑頂和刷幫的方法，對開拓大巷進行不斷翻修，例如將大巷上方即將垮落的頂板挑落，切斷外露的錨桿和錨索，然后重新對頂板進行錨桿(索)支護，但效果不明顯，大巷斷面仍繼續(xù)變形，部分區(qū)域甚至趨于閉合。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立及初始平衡

由圖1可知西翼采區(qū)各工作面與開拓大巷的相對位置關(guān)系，其中N1201、N1202、N1203、N1205、N1101和N1102等工作面均已開采結(jié)束，N1100、N1103和N1105工作面即將開采。為了簡化計算，以N1105工作面為例選用FLAC3D軟件進行單獨建模計算。沿著N1105工作面的推進方向進行剖斷，并得到剖斷面上頂板、煤層、底板、回采工作面和開拓大巷的相對位置關(guān)系及尺寸，見圖2.在該模型中，開拓大巷的寬度為5 m，高度為4 m，參考實際的開采經(jīng)驗，回采工作面停采線位置處留設(shè)的保護煤柱寬度為100 m.

圖2 N1105工作面沿著工作面推進方向的頂?shù)讓游魂P(guān)系圖

首先建立工作面及開拓大巷尚未開采或開挖的模型，四周及底部設(shè)置為滾筒支撐的位移邊界條件，頂部施加一鉛直向下大小為10 MPa的壓應(yīng)力，以模擬上覆巖層的壓應(yīng)力。模型中，頂板、煤層及底板均采用摩爾庫倫模型，相應(yīng)的材料參數(shù)見表1.

表1 模型中頂板、煤層及底板對應(yīng)的材料參數(shù)表

2.2 無支護下模擬分析

對該模型進行自動計算，直至最大不平衡力比率小于1×10-5.待網(wǎng)格平衡之后，對5條開拓大巷進行開挖，并再次對該模型進行計算，直至重新獲得應(yīng)力平衡。之后模擬工作面開采，直至工作面推進至停采線，隨后對該模型進行計算直至模型獲得平衡，得到此時開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區(qū)分布，見圖3.

圖3 未支護條件下開拓大巷周圍塑性區(qū)分布圖

由圖3可以看出，開拓大巷未支護條件下，工作面開采后大巷周圍煤巖體中塑性區(qū)發(fā)育明顯，左右兩幫中塑性區(qū)的破壞深度約為3 m，頂板中的破壞深度約為2 m，底板中的破壞深度約為1 m.

開拓大巷周圍煤巖體中的鉛直應(yīng)力分布見圖4.由圖4可以看出，在開拓大巷的頂板和底板中均形成了拉應(yīng)力，而在開拓大巷左右兩側(cè)煤體中形成了鉛直壓應(yīng)力的疊加。

圖4 未支護條件下開拓大巷周圍煤巖體中的鉛直應(yīng)力分布圖

2.3 表面支護效果分析

利用FLAC3D中的apply命令對開拓大巷表面施加法向壓應(yīng)力(圖5)，以模擬表面支護對開拓大巷的支撐作用。設(shè)置表面支護的壓應(yīng)力大小分別為0.5 MPa、1 MPa和1.5 MPa，對工作面進行回采模擬，得到模型穩(wěn)定之后開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區(qū)分布，見圖6，7，8.

圖5 采用表面支護對開拓大巷的支護圖

將圖6，7，8與圖3進行對比可以看出，表面支護對提高開拓大巷穩(wěn)定性及降低塑性區(qū)的發(fā)育程度有明顯作用。當(dāng)表面支護的強度為0.5 MPa，開拓大巷左右兩幫的破壞深度有所下降，但下降數(shù)值不大；提高表面支護強度為1 MPa時，開拓大巷左右兩幫的破壞深度下降至平均2 m，頂板破壞深度下降至平均1 m；繼續(xù)提高表面支護強度為1.5 MPa，開拓大巷周圍塑性區(qū)的體積進一步縮小，左右兩幫的破壞深度下降至平均1.5 m，底板破壞深度趨于0.這說明，表面支護的方式及強度對提高開拓大巷周圍巖體的穩(wěn)定性有重要作用，通過提高表面支護強度可以降低開拓大巷周圍巖體中的塑性區(qū)發(fā)育。

圖6 表面支護為0.5 MPa時工作面開采后開拓大巷周圍塑性區(qū)分布圖

分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于，通過施加表面支護的方式，解除了開拓大巷開挖空間的自由面，改變了開拓大巷范圍內(nèi)的邊界條件，限制了圍巖向開挖空間收斂的趨勢，從而提高了巖體的穩(wěn)定性。

圖7 表面支護為1.0 MPa時工作面開采后開拓大巷周圍塑性區(qū)分布圖

圖8 表面支護為1.5 MPa時工作面開采后開拓大巷周圍塑性區(qū)分布圖

2.4 錨桿(索)加固效果分析

為研究圍巖加固對開拓大巷穩(wěn)定性的影響，在開拓大巷開挖后，采用錨桿支護和錨索支護對5條開拓大巷進行加固，其中錨桿長度為3 m，錨固方式為全長錨固；錨索長度為8 m，錨固方式為端頭錨固。錨桿和錨索的輸入?yún)?shù)見表2.

表2 錨桿和錨索的錨固方式及輸入?yún)?shù)表

對工作面進行開采，并計算模型至平衡，獲得此時錨桿(索)內(nèi)的軸力分布，見圖9.由圖9可以看出，在當(dāng)前條件下，最大軸力約為124 kN，最大軸力均出現(xiàn)在巷道左右兩幫中的幫錨桿內(nèi)。

圖9 工作面開采后錨桿(索)內(nèi)的軸力分布圖

同時獲得錨桿(索)加固后的開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區(qū)分布圖，見圖10.與圖3進行對比分析可以看出，雖然采用了錨桿(索)進行了圍巖加固，但工作面開采之后，開拓大巷周圍塑性區(qū)的體積并沒有明顯縮小，說明此種條件下采用錨桿(索)支護對提高巷道的穩(wěn)定性作用不明顯。分析原因在于，開拓大巷布置在3#煤層中，而3#煤層自身裂隙發(fā)育明顯，穩(wěn)定性差，所以錨桿作用范圍內(nèi)的圍巖自身承載能力弱，錨桿支護不能充分發(fā)揮其提高圍巖自承能力的作用。

圖10 錨桿(索)支護條件下工作面開采后的塑性區(qū)分布圖

3 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬方法對余吾煤業(yè)西翼采區(qū)開拓大巷的穩(wěn)定性及巷道周圍巖體中的塑性區(qū)發(fā)育展開了研究，對比分析了圍巖加固和表面支護這兩種方式對西翼采區(qū)開拓大巷穩(wěn)定性的影響：

1)以表面施加法向壓應(yīng)力的方式模擬了表面支護對開拓大巷穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，采用表面支護的方式可以有效減少開拓大巷開挖空間的自由面，從而改變開挖空間的邊界條件，限制了開拓大巷周圍巖體向開挖空間內(nèi)的收斂，提高了煤巖體的穩(wěn)定性。此外，通過增加法向壓應(yīng)力的強度，可以有效降低開拓大巷周圍巖體中塑性區(qū)的發(fā)育程度，從而提高開拓大巷的穩(wěn)定性，當(dāng)表面支護強度為1.5 MPa時，開拓大巷左右兩幫的破壞深度下降約1.5 m，頂板破壞深度下降約1 m.

2)西翼采區(qū)的開拓大巷布置在煤層中，開拓大巷上方頂板及兩幫均為煤體，由于煤體內(nèi)部節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，穩(wěn)定性較差。因此，錨桿并未能充分發(fā)揮其提高圍巖自承能力的作用，此種條件下，采用錨桿(索)不能有效降低巷道周圍塑性區(qū)的發(fā)展。