基于FLAC3D采動(dòng)巷道圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

鄒 劍

(鄂爾多斯市煤炭安全生產(chǎn)監(jiān)管綜合執(zhí)法局， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 前言

由于我國(guó)煤炭資源開采強(qiáng)度大，除陜西、內(nèi)蒙古等一些地區(qū)外，大部分服務(wù)年限較長(zhǎng)的礦井已進(jìn)入深部開采[1]。隨著開采深部的增加，復(fù)雜的地質(zhì)條件給礦井回采后支護(hù)增加了難度[2]。尤其是軟巖巷道，頂板易破碎，在采動(dòng)動(dòng)壓影響下，巷道圍巖變形量大，如果不能及時(shí)采用有效的支護(hù)措施，巷道極易出現(xiàn)冒頂、片幫等事故，影響工作面的安全回采[3-5]。183下03膠順頂板為泥巖，巖層強(qiáng)度低，受183下03工作面多次采用影響，頂板極易破碎，本文通過(guò)模擬不同參數(shù)錨網(wǎng)索支護(hù)巷道圍巖變形量，結(jié)合礦井經(jīng)濟(jì)效益，確定最合理支護(hù)參數(shù)，確保巷道受動(dòng)壓影響時(shí)圍巖不發(fā)生大的變形破壞。

2 工作面概況

183下03膠順位于十八采區(qū)中部，南距北區(qū)西部輔運(yùn)巷4.7 m，東距183上02膠順11 m，西距183上03膠順140 m，北至設(shè)計(jì)停采線以南80.5 m位置；掘進(jìn)期間分別與十八采回風(fēng)巷、北區(qū)西部膠帶巷立交，立交巖柱分別為1.9 m、6.6 m。183下03膠順掘進(jìn)層位位于3上、3下煤層之間，頂?shù)装逯饕獮槟鄮r，巖層強(qiáng)度低，易破碎，底板主要為砂質(zhì)泥巖、中粗砂巖，巖層相對(duì)較為堅(jiān)硬。掘進(jìn)過(guò)程中受3煤頂板砂巖水影響，巷道圍巖遇水軟化，在動(dòng)壓影響下，巷道圍巖變形量大，尤其是頂板極易破碎，給巷道的支護(hù)帶了困難，應(yīng)及時(shí)采用有效的支護(hù)措施提高圍巖穩(wěn)定性，控制巷道變形破壞。

183下03膠順掘進(jìn)后采用錨網(wǎng)索支護(hù)，由于巷道圍巖強(qiáng)度低，受動(dòng)壓影響后，巷道圍巖穩(wěn)定性差，需要對(duì)原有的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。支護(hù)參數(shù)決定巷道圍巖的穩(wěn)定性，錨桿、錨索的規(guī)格和間排距決定著巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度[6-7]。為了選擇更合理的支護(hù)參數(shù)，需要對(duì)比錨桿、錨索不同參數(shù)巷道圍巖變形量，選擇既能保證穩(wěn)定性，又能保證經(jīng)濟(jì)效益的支護(hù)參數(shù)[8-10]。根據(jù)183下03膠順地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了5種不同的支護(hù)方案，具體見表1。

表1 不同方案支護(hù)參數(shù)表

3 支護(hù)數(shù)值模擬分析

3.1 模擬方案

采用FLAC3D分別模擬183下03膠順采用5種不同支護(hù)方案時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力及位移變化情況，根據(jù)應(yīng)力集中和圍巖變形量情況，確定最合理的支護(hù)參數(shù)[11-12]。建立40 m×20 m×50 m的力學(xué)模型，垂直方向施加17 MPa應(yīng)力，材料參數(shù)見表2。

表2 183下03膠順材料參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

1) 無(wú)支護(hù)分析

183下03膠順巷道掘進(jìn)后，應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，若不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，巷道圍巖受動(dòng)壓影響，周邊圍巖變形量大。變形情況如圖1所示。

圖1 無(wú)支護(hù)巷道圍巖變形情況

由圖1可知，若183下03膠順掘進(jìn)后不進(jìn)行支護(hù)，巷道頂板受垂直應(yīng)力影響，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，周邊圍巖變形量大，最大頂板變形量為178 mm；巷道兩幫和底板受巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響，周邊圍巖形成應(yīng)力降低區(qū)，變形量相對(duì)于頂板有了明顯減小，最大兩幫和底板變形量分別為40 mm、20 mm。

2)不同支護(hù)方案分析

采用FLAC3D模擬183下03膠順采用5種不同支護(hù)方案時(shí)可知，采用錨網(wǎng)索支護(hù)后，巷道圍巖的高集中應(yīng)力向周邊轉(zhuǎn)移，使巷道的承載能力增大，圍巖變形量，尤其是頂板變形量有了明顯的減小。通過(guò)分析5種支護(hù)方案，采用方案1、2進(jìn)行支護(hù)后，巷道圍巖應(yīng)力集中情況相似，明顯小于方案3。因此，巷道支護(hù)時(shí)增加錨桿的密度，可以避免圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，提高了圍巖的支護(hù)強(qiáng)度。

183下03膠順采用5種不同支護(hù)方案后，巷道周邊圍巖最大變形量情況，具體見表3。

由表3可知，183下03膠順采用錨網(wǎng)索支護(hù)后，巷道周邊圍巖變形量相對(duì)未支護(hù)時(shí)有了明顯減小。采用方案1、方案2時(shí)，巷道圍巖變形量基本相同，最大頂板變形量減少64 mm以上，兩幫和底板變形量分別減少10 mm左右；采用方案3時(shí)，最大頂板變形量?jī)H減少42 mm，兩幫和底板變形量均基本無(wú)變化。由此可知，方案1、2的支護(hù)效果相對(duì)于方案3更優(yōu)，尤其是在控制頂板變形方面。

表3 不同支護(hù)方案周邊圍巖變形情況

在模擬巷道圍巖變形量時(shí)，在頂板設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道頂板變形量，根據(jù)方案1、2、3監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)后，頂板變形量會(huì)逐漸增大，并逐漸趨于穩(wěn)定。其中，方案1、2、3頂板變形量最終穩(wěn)定值分別為117 mm、121 mm、133 mm，方案1、2頂板變形量小于方案3。同時(shí)，方案1、2頂板變形量達(dá)到穩(wěn)定值的速率大于方案3，頂板變形量更趨于穩(wěn)定。由此可知，支護(hù)時(shí)錨桿越密，巷道頂板下沉量越小，更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。方案1、2支護(hù)效果相對(duì)方案3更優(yōu)，方案1、2應(yīng)力集中和圍巖變形情況基本相同，在考慮礦井經(jīng)濟(jì)效益的情況下，采用方案2支護(hù)更合理。

方案2、4、5支護(hù)參數(shù)不同在于錨索長(zhǎng)度，比較3種方案的頂板下沉量，最終穩(wěn)定值分別為122.0 mm、118.0 mm、118.2 mm，方案4、5變形量基本相同，采用方案5時(shí)錨索長(zhǎng)度更短，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，183下03膠順采用方案5支護(hù)為最優(yōu)方案。方案5支護(hù)后巷道應(yīng)力和位移變化圖如圖2所示。

圖2 方案5支護(hù)巷道圍巖和應(yīng)力示意圖

由圖2可知，183下03膠順采用方案5支護(hù)后，應(yīng)力和位移情況均在可控范圍內(nèi)，結(jié)合相鄰巷道支護(hù)情況，采用長(zhǎng)度8 000 mm錨索能夠控制圍巖變形量，方案5為最合理支護(hù)方案。

4 工程實(shí)踐

4.1 錨網(wǎng)索支護(hù)

根據(jù)模擬5種不同支護(hù)方案圍巖應(yīng)力和位移變化情況，結(jié)合183下03膠順相鄰巷道支護(hù)情況，設(shè)計(jì)巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)，具體參數(shù)見表4。

表4 5102空巷錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

183下03膠順頂板采用錨桿+鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，每排布置6根錨桿，每梁布置3根錨索；兩幫采用錨桿+金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，至少布置3排錨桿。

由于巷道頂板變形量大，為進(jìn)一步提高巷道頂板的支護(hù)強(qiáng)度，避免發(fā)生冒頂事故，采用21.6 mm×10 000 mm的恒阻錨索進(jìn)一步加固巷道頂板。根據(jù)巷道的寬度，共布置3列恒阻錨索，沿著垂直方向向頂板施工。其中，第1列布置在距巷幫0.4 m處，排距為0.1 m；第2列、第3列布置在已支護(hù)常規(guī)錨索中間位置，排距分別為0.2 m、0.4 m。

4.2 注漿加固

雖然對(duì)183下03膠順錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但巷道受183下03回采時(shí)多次動(dòng)壓影響，頂板易出現(xiàn)圍巖變形破壞。因此，需要對(duì)巷道進(jìn)行二次注漿加固，提高巷道圍巖的承載能力，減小動(dòng)壓對(duì)圍巖破壞的影響，注漿所用的設(shè)備及其參數(shù)見表5。

表5 注漿設(shè)備及參數(shù)

在183下03膠順頂板、兩幫分別布置4個(gè)、3個(gè)、3個(gè)注漿鉆孔，注漿參數(shù)見表6。

表6 183下03膠順注漿參數(shù)

5 效果檢驗(yàn)

183下03膠順受動(dòng)壓影響，頂板變形量大，采用錨網(wǎng)索支護(hù)+注漿加固后，通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)巷道頂板變形量，驗(yàn)證支護(hù)效果。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在監(jiān)測(cè)的一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，巷道頂板變形量先增加，后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為88 mm，巷道頂板的變形得到了控制，支護(hù)取得了良好的效果，即使在動(dòng)壓影響下，頂板變形量不影響巷道的安全。

6 結(jié)論

(1)183下03膠順頂板為泥巖，巖層強(qiáng)度低，受183下03工作面多次采動(dòng)影響，頂板極易破碎，為了提高巷道圍巖的支護(hù)強(qiáng)度，需要對(duì)錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)布置不同錨桿密度、錨索長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)了5種支護(hù)方案，采用FLAC3D模擬5種方案支護(hù)情況下，巷道圍巖應(yīng)力和位移變化情況，確定最合理支護(hù)參數(shù)。

方案1、2、3錨桿支護(hù)密度不同，方案2、4、5錨索支護(hù)長(zhǎng)度不同，根據(jù)模擬結(jié)果可知，錨桿支護(hù)越密，支護(hù)強(qiáng)度越高，頂板變形量越??；錨索支護(hù)越短，頂板變形量越小。結(jié)合礦井的經(jīng)濟(jì)效益，確定采用方案5，即頂板錨桿規(guī)格18 mm×2 000 mm，兩幫錨桿規(guī)格16 mm×1 800 mm，間排距均為1 000 mm×1 000 mm；錨索規(guī)格為15.24 mm×8 000 mm，間排距2 000 mm×2 000 mm。

(3)巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)后，通過(guò)在巷道頂板、兩幫分別布置4個(gè)、3個(gè)、3個(gè)注漿鉆孔，對(duì)巷道進(jìn)行注漿加固，進(jìn)一步提高巷道圍巖承載能力，減小動(dòng)壓對(duì)軟巖頂板的破壞作用。通過(guò)監(jiān)測(cè)頂板變形量驗(yàn)證支護(hù)效果，在監(jiān)測(cè)的一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，頂板變形量在安全范圍內(nèi)，優(yōu)化參數(shù)后的支護(hù)能夠保證動(dòng)壓巷道的安全。