門(mén)克慶煤礦3-1回風(fēng)大巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

胡中華 張茜 孫浩

【摘? 要】針對(duì)門(mén)克慶煤礦3-1回風(fēng)大巷存在的片幫問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬分析了巷道圍巖的破壞特征與圍巖塑性區(qū)分布特征。結(jié)果表明：隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)范圍變化不大，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍逐漸增大，巷道幫部最大破壞深度1.5m，頂?shù)装迤茐妮^小，破壞形態(tài)類(lèi)似于不規(guī)則的橫（臥）橢圓形，根據(jù)巷道圍巖塑形區(qū)分布特征，通過(guò)理論分析，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了巷道支護(hù)成本。工程試驗(yàn)表明：巷道頂板位移主要發(fā)生在頂板上方0-2m，最大位移8.5mm;幫部最大位移發(fā)生在0-1m，最大位移9.5mm，巷道能夠保持穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】圍巖塑性區(qū)分布特征;側(cè)壓系數(shù);支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

引言

門(mén)克慶煤礦3-1煤埋深700m，3-1煤回風(fēng)大巷在掘進(jìn)過(guò)程中，存在嚴(yán)重的片幫問(wèn)題而巷道頂板較完整，在原有大巷支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道的掘進(jìn)速度造成影響，且在礦井初始階段未進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，巷道圍巖應(yīng)力不能明確，因此，需要研究3-1煤回風(fēng)大巷不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)巷道圍巖變形破壞及巷道支護(hù)方面做了大量研究，文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)矩形巷道頂板不同位置處應(yīng)力分布規(guī)律的分析，得出了錨桿長(zhǎng)度選取影響因素及其主次關(guān)系;文獻(xiàn)[2]在巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中將模糊數(shù)學(xué)和可拓學(xué)相結(jié)合，建立了巷道支護(hù)效果模糊可拓綜合評(píng)價(jià)模型;文獻(xiàn)[3]從巷道圍巖塑性區(qū)形成和發(fā)展的過(guò)程，研究了大變形回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理和控制原理與方法;文獻(xiàn)[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析相結(jié)合，研究了含水圍巖巷道頂板變形特征，闡述了分層控頂?shù)膰鷰r控制思路;文獻(xiàn)[5-8]針對(duì)具體礦井的地質(zhì)條件，分析了巷道圍巖變形破壞特征，并對(duì)巷道圍巖提出針對(duì)性的控制措施?；谇叭说难芯砍晒?，分析門(mén)克慶煤礦圍巖變形特征及非等壓應(yīng)力條件下圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在保證巷道圍巖變形在可控范圍內(nèi)減少巷道的支護(hù)強(qiáng)度，增加巷道的掘進(jìn)速度，可為類(lèi)似條件下的巷道圍巖控制提供技術(shù)支持。

1.工程概況

門(mén)克慶煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗、伊金霍洛旗境內(nèi)，井田面積約94.95km2。其中3-1煤回風(fēng)大巷位于一號(hào)回風(fēng)立井井筒正東方向，大巷西部為3-1煤帶式輸送機(jī)大巷和3-1煤輔助運(yùn)輸大巷，大巷之間煤柱寬度為40m。巷道布置圖如圖1所示。大巷布置在3-1煤層中，頂板巖性以中粒砂巖、粉砂巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖;底板巖性多為中粒砂巖、粉砂巖以及細(xì)砂巖，其次為砂質(zhì)泥巖。大巷斷面形狀為拱形，巷道寬高5240mm，拱高2620mm，墻高1600mm。采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，錨桿索支護(hù)參數(shù)為：Φ20×2250mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm;Φ17.8×8300mm錨索，間排距2400mm×2400mm。

2.大巷圍巖破壞特征

3-1回風(fēng)大巷在掘進(jìn)過(guò)程中頂板基本完好，煤幫出現(xiàn)嚴(yán)重片幫問(wèn)題，為了對(duì)3-1回風(fēng)大巷破壞狀況有更為直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)巷道圍巖的破壞情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和破壞形態(tài)的描述。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況，繪出了3-1回風(fēng)大巷的圍巖破壞斷面素描圖，如圖2所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，可以看出：3-1回風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面處頂?shù)装鍫顩r較好，基本沒(méi)有出現(xiàn)破壞，完整性好;巷道片幫比較嚴(yán)重，尤其是直墻段中部位置的片幫深度達(dá)到0.5～0.8m，破壞形態(tài)整體類(lèi)似于不規(guī)則的橫（臥）橢圓形，且片幫破壞主要發(fā)生在開(kāi)挖后到支護(hù)前這段時(shí)間內(nèi)，破壞發(fā)生的比較劇烈。

3.大巷圍巖塑性區(qū)分布特征

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可知，巷道圍巖塑性區(qū)分布與圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度以及巷道尺寸有關(guān)。巷道未開(kāi)挖前的圍巖應(yīng)力主要是原巖應(yīng)力，原巖應(yīng)力中垂直應(yīng)力σv可按照上覆巖層載荷估算，水平應(yīng)力σh=λσv，λ為側(cè)壓系數(shù)，因此，側(cè)壓系數(shù)不同，巷道圍巖塑性區(qū)也不相同。結(jié)合巷道圍巖破壞理論，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)門(mén)克慶3-1煤回風(fēng)大巷開(kāi)挖后圍巖的塑性區(qū)進(jìn)行計(jì)算分析，分析大巷塑性區(qū)分布特征以及側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)分布的影響規(guī)律。

以門(mén)克慶3-1煤回風(fēng)大巷為計(jì)算模型，埋深700m，煤厚約4.6m。頂板依次為中粒砂巖，厚度約24m;細(xì)粒砂巖，厚度約15m。底板依次為粉砂巖，厚度約15m;細(xì)粒砂巖，厚度約9m;粉砂巖，厚度約11m。采用摩爾-庫(kù)倫模型，各巖層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

邊界條件：四周鉸支，底部固支，上部為自由邊界。采用數(shù)值模擬分析門(mén)克慶3-1煤回風(fēng)大巷掘進(jìn)開(kāi)挖后巷道兩幫塑性區(qū)破壞規(guī)律，為巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。由于門(mén)克慶煤礦沒(méi)有進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，因此取垂直應(yīng)力σv為巷道頂板上覆巖層載荷，取值17.5MPa（按埋深700m計(jì)算），水平應(yīng)力σh=λσv，λ為側(cè)壓系數(shù)，分別取值1.1、1.3、1.5進(jìn)行計(jì)算。

由圖3可知，在門(mén)克慶煤礦的工程地質(zhì)條件下，3-1回風(fēng)大巷塑性破壞主要發(fā)生在幫部，頂?shù)装鍑鷰r不發(fā)生塑性破壞或塑性破壞范圍小。不同側(cè)壓系數(shù)下，幫部圍巖塑性區(qū)范圍變化較小，巷道拱形肩部破壞最大達(dá)到1.5m，兩幫破壞深度在0.5～0.8m。不同側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道頂?shù)装逅苄螀^(qū)分布影響較大，側(cè)壓系數(shù)為1.1時(shí)，巷道頂?shù)装鍑鷰r幾乎不發(fā)生塑性破壞，巷道底板最大破壞深度約為0.2m;側(cè)壓系數(shù)為1.3時(shí)，巷道底板破壞深度約為0.4m，側(cè)壓系數(shù)為1.5時(shí)，巷道底板破壞深度約為0.7m。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，巷道頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)范圍稍稍變大。即側(cè)壓系數(shù)越大，巷道頂?shù)装迤茐脑絿?yán)重，并且巷道底板破壞范圍的增長(zhǎng)速度較頂板的更為顯著，兩幫破壞范圍沒(méi)有明顯的變化。

由以上分析可知，在門(mén)克慶煤礦3-1煤回風(fēng)大巷圍巖強(qiáng)度及巷道尺寸條件下，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍增大，且巷道底板塑性區(qū)范圍的增長(zhǎng)較頂板更為顯著，測(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道兩幫塑性區(qū)范圍變化影響較小。

由于門(mén)克慶礦在初始階段沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的地應(yīng)力測(cè)試，3-1煤回風(fēng)大巷圍巖側(cè)壓系數(shù)未知，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所得巷道圍巖破壞特征，與測(cè)壓系數(shù)為1.5時(shí)的數(shù)值模擬圍巖塑性區(qū)分布接近，因此認(rèn)為該區(qū)域的側(cè)壓系數(shù)λ為1.5。因此，巷道圍巖塑性區(qū)整體分布類(lèi)似于橫（臥）橢圓形，兩幫最大塑性區(qū)深度為1.2m，頂板基本完好，底板最大塑性深度為0.7m。

4.大巷支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬所得巷道圍巖破壞特征與圍巖塑性區(qū)分布特征，選擇錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴漿的聯(lián)合支護(hù)方式。為了保證3-1回風(fēng)大巷的圍巖穩(wěn)定，取側(cè)壓系數(shù)λ為1.5時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)分布，圍巖拱形肩部塑形區(qū)最大深度1.5m，兩幫塑形區(qū)最大深度0.5～0.8m，利用懸吊理論計(jì)算，對(duì)大巷錨桿錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）錨桿索總長(zhǎng)度：

選錨桿長(zhǎng)度Lg=≥0.1+0.8+1=1.9m，錨桿有效長(zhǎng)度選擇最大破壞深度0.8m;錨索長(zhǎng)度Ls≥0.3+1.5+2=3.8m，錨索有效長(zhǎng)度選擇特殊地段最大破壞深度1.5m;因此，錨桿長(zhǎng)度選擇2250mm，錨索長(zhǎng)度選擇6300mm。

（2）錨桿索支護(hù)密度應(yīng)滿(mǎn)足：

每米巷道錨桿索數(shù)量：

每米巷道錨桿數(shù)量;

每米巷道頂錨索數(shù)量。因此，錨桿選擇左旋螺紋鋼錨桿，間排距，錨索選擇錨索，間排距，每排2根。

綜合所述，優(yōu)化后錨桿索支護(hù)參數(shù)為：Φ20×2250mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距800mm×1000mm;Φ21.8×6300mm錨索，間排距2400mm×3000mm，網(wǎng)片采用鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為6mm×100mm×100mm，最終大巷噴漿封閉，噴射混凝土厚度120mm，強(qiáng)度為C20，如圖4所示。

5.工程實(shí)踐

按照優(yōu)化后設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)3-1煤回風(fēng)大巷進(jìn)行支護(hù)，并進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測(cè)，對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行工程驗(yàn)證。在距3-1煤回風(fēng)大巷開(kāi)口500m、600m處各布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩測(cè)點(diǎn)分別在巷道頂板及幫部，共布置四個(gè)測(cè)點(diǎn)。頂板處測(cè)點(diǎn)孔深8m，在2m，4m，8m安設(shè)3個(gè)觀測(cè)基點(diǎn);幫部測(cè)點(diǎn)孔深2m，在1m，2m安設(shè)2個(gè)觀測(cè)基點(diǎn)。監(jiān)測(cè)各個(gè)觀測(cè)基點(diǎn)的相對(duì)位移量，得出巷道圍巖的破壞范圍。

3-1煤回風(fēng)大巷深基點(diǎn)位移變化規(guī)律如圖5所示，監(jiān)測(cè)前10天頂板及兩幫的位移量增長(zhǎng)較快，之后位移量趨于穩(wěn)定。在大巷頂板及幫部，隨著向深部增加，位移量逐漸減小，500m處頂板0～2m內(nèi)位移量5mm，2～4m內(nèi)位移量2mm，4～8m內(nèi)位移量0.5mm，總位移量7.5mm，600m處頂板0～2m內(nèi)位移量5.5mm，2～4m內(nèi)位移量2.5mm，4～8m內(nèi)位移量0.5mm，總位移量8.5mm;500m處幫部0～1m內(nèi)位移量5.5mm，1～2m內(nèi)位移量1.5mm，總位移量7mm ;600m處幫部0～1m內(nèi)位移量7.5mm，1～2m內(nèi)位移量2mm，總位移量9.5mm。各測(cè)點(diǎn)位移量均較小，大巷位移基本發(fā)生在頂板0～2m內(nèi)，幫部0～1m內(nèi)，巷道能夠保持穩(wěn)定。

6.結(jié)論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬，門(mén)克慶3-1煤回風(fēng)大巷圍巖變形主要發(fā)生在兩幫，巷道片幫深度達(dá)到0.5～0.8m，頂板完整性較好，底板破壞較小，破壞形態(tài)整體類(lèi)似于不規(guī)則的橫（臥）橢圓形。非等壓條件下，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)分布變化不大，頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布范圍逐漸增大，且底板變化速率較大。

（2）優(yōu)化后支護(hù)采用錨桿（索）網(wǎng)支護(hù)，與原有支護(hù)相比，錨桿沿用Φ20×2250mm左旋螺紋鋼錨桿，增加錨桿的間排距，錨索則由原Φ17.8×8300mm錨索改用Φ21.8×6300mm錨索，增加錨索的間排距。優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)，減少了支護(hù)成本。

（3）工程實(shí)踐表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)，大巷頂板最大位移量8.5mm，幫部最大位移量9.5mm，巷道可以保持穩(wěn)定。

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