基于數(shù)值模擬的煤礦井下超大斷面硐室支護優(yōu)化

司林坡，王曉卿

（1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

0 引 言

隨著煤礦開采強度以及機械化水平的提高，煤礦開采設(shè)備大型化的趨勢愈發(fā)明顯，大型設(shè)備必須拆解運輸并在煤礦井下組裝，因此，煤礦井下大斷面硐室越來越多［1－3］。 一些硐室的寬度、高度達到8 ～10 m，斷面面積達到70 ～100 m2［4－6］，個別硐室斷面面積甚至遠超100 m2，稱之為超大斷面硐室。 斷面顯著增大導(dǎo)致硐室圍巖變形破壞嚴重，維護困難，常規(guī)錨桿錨索支護不能有效控制圍巖變形，因此，超大斷面硐室支護成為煤礦亟待解決的工程難題。

煤礦井下回采巷道一般采用錨桿、錨索支護［7－10］；巖巷一般采用錨桿錨索配合U 型鋼支架與噴漿聯(lián)合支護［11－13］；大斷面硐室通常采用“錨桿錨索＋混凝土砌碹”聯(lián)合支護方式，混凝土砌碹多采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土［14］。 肖同強等［2］針對斷面面積近100 m2的大采高支架換裝硐室，綜合采用錨桿錨索、噴漿、注漿與鋼筋混凝土砌碹等手段，有效控制了硐室變形。 康紅普等［15］分析了井底車場大斷面硐室群的變形破壞機理，提出了“錨桿錨索＋噴漿＋混凝土砌碹”聯(lián)合支護方案，取得了良好的支護效果。劉海生等［16］針對斷面面積超過100 m2的煤礦井下?lián)Q裝硐室劇烈底鼓難題，采用鋼筋混凝土反底拱＋超長錨索群聯(lián)合支護，有效控制了底鼓，保證了硐室穩(wěn)定性。 大量工程實踐已經(jīng)證明，對于煤礦井下大斷面硐室，采用“錨桿錨索＋混凝土砌碹”聯(lián)合支護方案可以取得良好的支護效果。

在采用“錨桿錨索＋混凝土砌碹”聯(lián)合支護方案對煤礦井下大斷面硐室支護時，錨桿錨索與混凝土砌碹在支護中所起的作用尚不明確，具體支護參數(shù)仍需基于經(jīng)驗確定，可能造成支護不足或支護過度。為解決煤礦井下大斷面硐室支護難題，以某煤礦井下超大斷面液壓支架拆解組裝硐室為研究對象，基于工程經(jīng)驗提出“錨桿錨索＋混凝土砌碹”的初始支護方案，采用數(shù)值模擬方法分別針對無支護、錨桿索單獨支護、混凝土砌碹單獨支護、錨桿索和混凝土砌碹聯(lián)合支護4 種條件進行支護效果分析，基于數(shù)值模擬結(jié)果提出改進支護方案并進行工程驗證。 研究可為煤礦井下超大斷面硐室支護設(shè)計提供方法參考。

1 工程概況

某煤礦2－2 煤層工作面采用大采高液壓支架，支架尺寸巨大，無法整體下井，因此，需要在井底車場附近布置液壓支架拆解組裝硐室，距離2－2 煤輔運大巷35 m，如圖1 所示。 液壓支架拆解組裝硐室分為拆解組裝區(qū)和車輛通過區(qū)，采用三心拱斷面，掘進斷面面積達到150 m2，斷面凈寬11.0 m、墻高10.2 m、拱高2.5 m，為超大斷面硐室，如圖2 所示，長度為100 m。 2－2 煤層厚度約11 m，傾角0°～5°，平均埋深350 m，頂、底板均為細砂巖和粉砂巖互層。在井底車場附近進行了水壓致裂法地應(yīng)力測量［17］，豎直應(yīng)力為8.4 MPa，最小水平主應(yīng)力為9.4 MPa，最大水平應(yīng)力為19.4 MPa，最大水平主應(yīng)力與大巷近似垂直。

圖1 液壓支架拆解組裝硐室平面布置Fig.1 Plane layout of dismantling and assembling chamber for hydraulic supports

圖2 液壓支架拆解組裝硐室斷面Fig.2 Cross section of dismantling and assembling chamber for hydraulic support

液壓支架拆解組裝硐室斷面巨大，采用臺階法施工，根據(jù)相鄰巷道的施工情況，硐室掘出后如不及時支護必然發(fā)生嚴重大變形。 此外，其周圍還布置有2－2 煤輔運大巷、2－2 煤主運大巷以及區(qū)段巷道等已有巷道工程，后續(xù)還要面臨新掘巷道和工作面回采的影響，支護難度極大，必須進行支護方案設(shè)計，并在施工之前對支護方案進行論證。

2 初始支護方案

由于“錨桿錨索＋混凝土砌碹”聯(lián)合支護方案被證實對煤礦井下大斷面硐室具有良好的支護效果，液壓支架拆解組裝硐室采用錨桿錨索作為一次支護、混凝土砌碹作為2 次支護，并根據(jù)工程經(jīng)驗，給出具體支護參數(shù)，形成初步支護方案，如圖3 所示。錨桿錨索具體支護參數(shù)如下：①頂板支護。 錨桿規(guī)格為?22 mm×2.4 m，排距900 mm，間距900 mm，每排16 根錨桿。 錨索規(guī)格為?22 mm×8.3 m，排距900 mm，間距900 mm，每排15 根錨索，錨索安裝在兩排頂錨桿中部。 ②巷幫支護。 錨桿規(guī)格為?22 mm×2.4 m，排距900 mm，間距900 mm，每排12 根錨桿。錨索規(guī)格為?22 mm×8.3 m，排距900 mm，間距900 m，每排11 根錨索，錨索安裝在兩排幫錨桿中部。③底板支護。 底板僅采用錨索支護，錨索規(guī)格為?22 mm×8.3 m，間距2 000 mm，排距2 000 mm，每排布置6 根錨索。 永久支護為全斷面鋼筋混凝土砌碹，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土形式施工，鋼筋規(guī)格為?20 mm，混凝土強度等級為C35，厚度為400 mm。

圖3 液壓支架拆解組裝硐室初始支護方案Fig.3 Initial support scheme of dismantling and assembling chamber for hydraulic support

錨桿、錨索配合托盤、鋼帶和鋼筋網(wǎng)施工。 錨桿采用拱形高強度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，拱高不低于34 mm，配備調(diào)心球墊和減阻尼龍墊圈。 錨索采用300 mm×300 mm×16 mm 高強度拱形可調(diào)心托板及配套鎖具，錨索托盤高度不低于60 mm，厚度不小于16 mm。 鋼帶采用W 型鋼護板，厚度5 mm，寬280 mm，長度450 mm。 采用?6.0 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm，網(wǎng)片規(guī)格2 100 mm×1 000 mm，網(wǎng)間搭接100 mm，用雙股14號鐵絲連接。 錨桿預(yù)緊轉(zhuǎn)矩不低于300 N·m，錨索預(yù)緊力不低于250 kN。

3 支護方案數(shù)值模擬驗證

3.1 數(shù)值模型建立

使用FLAC3D6.0 軟件建立數(shù)值模型，對液壓支架拆解組裝硐室的初始支護方案進行模擬驗證。 以液壓支架拆解組裝硐室及其周圍巷道100 m 范圍劃定模型水平邊界，按照柱狀圖取2－2 煤層上、下共計10 個巖層劃定模型豎向邊界，模型尺寸為300 m×400 m×72 m（長×寬×高），巷道和硐室均嚴格按照實際和設(shè)計布置，數(shù)值模型如圖4 所示。

圖4 液壓支架解體組裝硐室數(shù)值模型Fig.4 Numerical model of the chamber

模型采用三角形網(wǎng)格剖分，在巷道及硐室處加密，共劃分網(wǎng)格100 萬個。 模型側(cè)面和底面固定法向位移，頂面施加上覆巖層壓力7.5 MPa（模型頂面位置埋深300 m），考慮垂直方向應(yīng)力梯度，X方向與Y方向側(cè)壓系數(shù)分別為2.21、1.08。 煤、巖層采用Mohr－Coulomb 本構(gòu)模型［18］模擬，煤巖體參數(shù)通過將實驗室獲取的巖石力學(xué)參數(shù)根據(jù)巖體不連續(xù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況采用GSI 和Hoek－Brown 準則進行折減后獲得［19］見表1。 在FLAC3D6.0 中，Mohr－Coulomb模型表現(xiàn)為理想塑性，無法體現(xiàn)出巷道淺表圍巖的應(yīng)變軟化特性，基于模擬經(jīng)驗，將硐室周邊5 m 范圍圍巖設(shè)定為應(yīng)變軟化本構(gòu)模型［18］，以無支護條件下圍巖實際變形為校核目標，通過反復(fù)試算得到合適的應(yīng)變軟化模型參數(shù)。

表1 模型中煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of rock mass used in numerical model

3.2 支護模擬實現(xiàn)

錨桿、錨索使用cable 結(jié)構(gòu)單元［18］模擬，嚴格按照設(shè)計位置布置錨桿與錨索，頂板和幫部安裝錨桿、錨索111 排，底板安裝錨索50 排，其中錨桿4 362根、錨索4 329 根。 錨桿、錨索均為煤礦支護常用規(guī)格，其參數(shù)已經(jīng)嚴格校核［7，11，20］，見表2。 鋼筋混凝土砌碹采用liner 結(jié)構(gòu)單元［18］模擬，分別布置在頂板、幫部與底板，并連接成整體，形成全斷面布置，基于模擬經(jīng)驗設(shè)定liner 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)［11］見表3，厚度設(shè)定為0.4 m。 支護模擬實現(xiàn)如圖5 所示。

表2 模型中錨桿、錨索參數(shù)Table 2 Parameters of bolts and cables used in numerical model

表3 模型中混凝土砌碹參數(shù)Table 3 Parameters of concrete masonry used in model

圖5 支護模擬實現(xiàn)Fig.5 Simulation of supporting scheme

3.3 模擬方案

液壓支架拆解組裝硐室采用臺階法施工，臺階掘出后立刻進行錨桿錨索支護，待斷面完全成型后進行混凝土砌碹支護。 采用3 班倒施工，掘進速度較快，因此本模擬作一定簡化，不考慮分次開挖因素，認為錨桿錨索全斷面支護一次完成，聚焦于驗證支護方案的總體支護效果。 分別設(shè)置無支護、錨桿錨索單獨支護、混凝土砌碹單獨支護、錨桿錨索與混凝土砌碹聯(lián)合支護4 種模擬方案，其中無支護方案作為基礎(chǔ)對照，以反映不同支護方案的支護效果。模擬方案見表4。

表4 模擬方案Table 4 Modelling scheme

3.4 模擬結(jié)果分析

液壓支架拆解組裝硐室變形破壞模擬結(jié)果如圖6 所示（不同模擬方案出圖比例一致）。 當無支護時，硐室斷面嚴重收縮，各部位變形量較大，兩幫和底板變形量均達到3.0 m（圖6a）。 當采用錨桿錨索單獨支護時，兩幫整體向巷內(nèi)變形，變形量約為1.1 m；底板由于支護強度較小，整體向巷內(nèi)鼓起，底鼓量約為1.4 m；頂板變形較小，約為0.4 m，相比無支護條件，斷面變形大幅減小，表明錨桿錨索對軟弱圍巖具有良好的支護效果，但整體變形量仍較大，采用錨桿錨索單獨支護不能滿足斷面維護要求（圖6b）。當采用混凝土砌碹單獨支護時，相比錨桿錨索單獨支護，硐室變形程度得到進一步改善，僅在巷幫中間部位與底板中間部位存在凸起變形，巷幫中間變形量約為0.8 m，底板中間變形量約為0.36 m，其他部位變形較小，表明混凝土砌碹對軟弱圍巖的支護效果要遠優(yōu)于錨桿錨索（圖6c）。 當采用錨桿錨索與混凝土砌碹聯(lián)合支護時，斷面收斂情況與混凝土砌碹單獨支護類似，只是變形程度有所減小，幫部中央變形量減小至0.6 m，底板中央底鼓量減小至0.33 m，減小程度并不明顯（圖6d）。

圖6 不同支護條件下硐室變形破壞模擬結(jié)果Fig.6 Numerical results of chamber deformation under different supporting conditions

液壓支架拆解組裝硐室塑性區(qū)模擬結(jié)果如圖7所示。 可以看出，隨著支護方案改變（無支護→錨桿錨索單獨支護→混凝土砌碹單獨支護），硐室周邊塑性區(qū)范圍顯著減小。 當無支護時，硐室周邊塑性區(qū)分布范圍極大，在肩角、底角部位與2－2 煤輔運大巷塑性區(qū)連通（圖7a）。 當采用錨桿錨索單獨支護時，硐室周邊塑性區(qū)范圍顯著減小，獨立分布，頂板和底板塑性區(qū)范圍仍較大，肩角、底角塑性區(qū)呈較大范圍的水平延展（圖7b）。 當采用混凝土砌碹單獨支護時，塑性區(qū)范圍進一步減小，頂板塑性區(qū)零星分布，底板和肩角、底角塑性區(qū)分布也大幅減?。▓D7c）。 當采用錨桿錨索與混凝土砌碹聯(lián)合支護時，頂板塑性區(qū)已完全消失，幫部中間部位塑性區(qū)也有一定程度減?。▓D7d）。

圖7 不同支護條件下硐室塑性區(qū)模擬結(jié)果Fig.7 Numerical results of plastic zones around chamber under different supporting conditions

模擬結(jié)果表明，錨桿錨索與混凝土砌碹對煤礦井下超大斷面硐室均具有良好的支護效果，混凝土砌碹的支護效果要遠優(yōu)于錨桿錨索，錨桿錨索與混凝土砌碹聯(lián)合支護對煤礦井下超大斷面硐室變形破壞的控制效果要優(yōu)于混凝土砌碹單獨支護。 因此，煤礦井下超大斷面硐室支護適合采用錨桿錨索和混凝土砌碹聯(lián)合支護形式，錨桿錨索適合作為預(yù)支護，用于減小硐室掘進初期的劇烈變形，混凝土砌碹適合作為永久支護，起主要支護作用。 就變形破壞情況而言，初始支護方案條件下硐室?guī)筒恐虚g部位為硐室變形的主要部位，幫部中間部位仍有約0.6 m 的變形量，底板中央部位也有約0.3 m 的變形量，表明初始支護方案仍有待進 一步改進。

4 支護方案改進與支護效果

由模擬結(jié)果可知，在初始支護方案條件下，液壓支架拆解組裝硐室?guī)筒恐虚g部位和底板中間部位仍有一定變形量，考慮到錨桿錨索的支護密度已足夠大并且混凝土砌碹的支護效果優(yōu)于錨桿索，嘗試將混凝土砌碹厚度增大至0.5 m，模擬發(fā)現(xiàn)繼續(xù)增大混凝土砌碹厚度對硐室變形控制效果的改善極為有限。 在初始支護方案參數(shù)不變的條件下，嘗試提高硐室周邊圍巖參數(shù)，模擬表明硐室變形情況得到了顯著改善，硐室?guī)筒亢偷装宓淖冃螏缀跬耆?。鑒于此，對初始支護方案作2 個方面的改進：一是適當降低錨桿錨索的支護密度，二是針對變形部位進行注漿補強。 具體改進如下：頂板錨索間排距由900 mm×900 mm 改為1 800 mm×900 mm，采用五花布置；幫部錨索間排距也由900 mm×900 mm 改為1 800 mm×900 mm，錨索改用注漿錨索，規(guī)格為?22 mm×8 300 mm，進行深孔注漿，在移除錨索位置布置淺孔，規(guī)格為?42 mm×3 000 mm，進行淺孔注漿；底板錨索間排距不變，改用注漿錨索，進行深孔注漿，在相鄰4 根錨索中間位置進行淺孔注漿。 深孔注漿滯后淺孔注漿7 d 左右。 改進支護方案如圖8所示。

圖8 硐室改進支護方案Fig.8 Improved supporting scheme

改進支護方案顯著減少了錨索施工數(shù)量，大幅加快了施工進度，節(jié)約了工程成本。 液壓支架拆解組裝硐室按照改進支護方案施工后，在未進行混凝土砌碹支護之前，圍巖變形較為明顯，兩幫移近約為150 mm，底鼓量約為90 mm，并且仍保持較快的變形速度。 及時進行混凝土砌碹支護之后，進行了為期3 個月的監(jiān)測，基本無變形，表明改進支護方案能夠有效控制超大斷面液壓支架拆解組裝硐室的變形破壞。 液壓支架拆解組裝硐室施工過程如圖9所示。

圖9 液壓支架拆解組裝硐室施工過程Fig.9 Construction process of hydraulic support dismantling and assembling chamber

5 結(jié) 論

1）采用工程經(jīng)驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下超大斷面硐室的合理支護，基于工程經(jīng)驗提出初始支護方案，采用數(shù)值模擬進行方案參數(shù)優(yōu)化，可避免支護不足或支護過度。

2）錨桿錨索與混凝土砌碹對煤礦井下超大斷面硐室均具有良好的支護效果，混凝土砌碹的支護效果要遠優(yōu)于錨桿錨索。 錨桿錨索適合作為預(yù)支護，用于減小硐室掘進初期的劇烈變形，混凝土砌碹適合作為永久支護，起主要支護作用。

3）煤礦井下超大斷面硐室支護適合采用錨桿錨索和混凝土砌碹聯(lián)合支護形式，當圍巖較破碎時，需要輔以注漿補強，可適當減小錨桿錨索的支護密度，以加快施工速度，并及時進行混凝土砌碹支護。