劉洪太

（山西晉煤集團(tuán) 澤州天安圣華煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

圣華煤業(yè)1201回采巷道底鼓治理數(shù)值分析

劉洪太

（山西晉煤集團(tuán) 澤州天安圣華煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

針對圣華煤業(yè)1201回采巷道底鼓現(xiàn)象，利用FLAC3D軟件對未支護(hù)順槽、實(shí)施原支護(hù)方案的順槽以及新提出的加固維護(hù)方案的順槽進(jìn)行應(yīng)力分布和位移破壞的數(shù)值模擬，得出原支護(hù)方案底板破壞失穩(wěn)的機(jī)理及聯(lián)合支護(hù)方案能起到較好控制底鼓效果的原因，并分析確定了新方案的參數(shù)。

數(shù)值模擬；底鼓機(jī)理；治理方案

圍巖變形破壞存在多種理論，底鼓控制有三大類方法：加固法、卸壓法及聯(lián)合法。圣華煤業(yè)1201掘進(jìn)巷道因巷道頂?shù)装逄巼鷰r強(qiáng)度相差較大，受構(gòu)造應(yīng)力和圍巖巖性及采空區(qū)內(nèi)集中應(yīng)力的共同影響致使原來的支護(hù)方法失效，底板巖層由于巷道兩幫巖體高應(yīng)力的影響被迫擠往巷道內(nèi)部，構(gòu)成底鼓。本文對巷道內(nèi)圍巖應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬分析，綜合巷道發(fā)生破壞的特點(diǎn)與機(jī)理制定出更合理的支護(hù)的方案，為巷道的支護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。

1 底鼓治理的途徑

由于1201軌道順槽圍巖應(yīng)力分布復(fù)雜且底板軟弱，若只采用底板加固技術(shù)來控制巷道底鼓的話，施工量大且費(fèi)用高；若通過打底板錨桿控制底鼓，會(huì)因致錨固力達(dá)不到要求而無法對底鼓作出有效控制；若利用封閉式支架進(jìn)行支護(hù)，由于1201軌道順槽的底鼓呈分段性發(fā)展，故大批量利用封閉式支架會(huì)支出大量資金，并延長工期；若進(jìn)行巷道幫、角注漿，不僅工藝簡單，還具有如下優(yōu)勢：

1）注漿可對軟弱的巷道圍巖進(jìn)行加固，并充填裂隙，增加圍巖自身強(qiáng)度，充分利用圍巖的自承能力。

2）錨桿可使巷道形成組合拱結(jié)構(gòu)，提高圍巖的自承能力，從而對底鼓進(jìn)行控制。

綜上所述，對1201軌道順槽采取聯(lián)合維護(hù)方案，即對巷幫錨注加固，同時(shí)對底板開卸壓槽。

2 數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對未支護(hù)順槽、實(shí)施原支護(hù)方案的順槽以及實(shí)施新確定維護(hù)方案的順槽進(jìn)行應(yīng)力分布和位移破壞的數(shù)值模擬，以證明新維護(hù)方案優(yōu)于原方案，并能很好地解決巷道底鼓問題，確保通風(fēng)、行人和運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

2.1 數(shù)值模型的建立

由于近水平煤層的傾角較小，在數(shù)值模擬研究時(shí)忽略傾角對頂板穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。煤巖體及錨桿的力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示，模型共47 360個(gè)單元，60 345個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿參數(shù)

2.2 原支護(hù)巷道的模擬分析

（3）費(fèi)用控制能力。盈利是提升企業(yè)價(jià)值的驅(qū)動(dòng)因素，提升盈利能力最基本的方法是控制成本，而在減少成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)收入的增長是所有企業(yè)的價(jià)值追求，所以本文引入成本收入比（XCI）來考察商業(yè)銀行費(fèi)用控制能力，進(jìn)而測度其對企業(yè)價(jià)值的影響程度。

圖1、圖2分別為巷道在未支護(hù)及原支護(hù)方案下的巷道底板位移圖，圖中紅色區(qū)域表示巷道受作用力變形較大區(qū)域，也就是巷道底鼓嚴(yán)重部位，可以看出巷道在未支護(hù)時(shí)底板向上最大位移約0.140 m，原支護(hù)方案下巷道底板向上最大位移約0.136 m，這表明原支護(hù)方案無法對巷道底鼓進(jìn)行有效抑制。

圖1 巷道開挖未進(jìn)行支護(hù)底板位移圖

圖2 原支護(hù)方案巷道底板位移圖

圖3、圖4分別為巷道開挖未進(jìn)行支護(hù)及原支護(hù)方案條件下巷道兩幫位移圖，圖中紅色區(qū)域代表兩幫在支承壓力作用下變形較大的區(qū)域，可以看出未支護(hù)巷道兩幫變形區(qū)發(fā)展到了巷道頂部，且巷道底角位移很大。巷道的兩幫在原支護(hù)方案下在變形區(qū)已發(fā)展到了第二個(gè)錨桿處，且巷道底角處的變形相對小，這表明原支護(hù)方案雖然對巷道兩幫變形有所限制，但效果不顯著。

圖3 巷道開挖未支護(hù)兩幫位移圖

圖4 原支護(hù)巷道兩幫位移圖

圖5、圖6分別為未支護(hù)巷道及原支護(hù)方案的頂?shù)装鍛?yīng)力圖，紅色區(qū)域?yàn)槔瓟嗥茐膮^(qū)，可以看出在未支護(hù)巷道存在明顯的應(yīng)力集中，且底板部分的應(yīng)力集中程度顯著變大，最大值達(dá)0.64 MPa，在底板部分出現(xiàn)拉斷破壞區(qū)。原支護(hù)方案下巷道應(yīng)力集中程度相較未支護(hù)下有所降低，但也達(dá)到了0.45 MPa，且底板部分出現(xiàn)了拉斷破壞區(qū)，表明原支護(hù)方案對控制底板應(yīng)力集中的效果不理想。

圖5 巷道開挖未支護(hù)頂?shù)装鍛?yīng)力圖

圖6 原支護(hù)巷道頂?shù)装鍛?yīng)力圖

2.3 聯(lián)合支護(hù)方案的巷道數(shù)值模擬分析

通過改變相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)的取值使得左側(cè)煤柱的強(qiáng)度變大（左側(cè)煤柱受3204采空區(qū)集中應(yīng)力和采動(dòng)影響塑性破壞），對底板進(jìn)行開卸壓槽得到注漿加固與卸壓槽并用的聯(lián)合支護(hù)模型。

圖7為聯(lián)合支護(hù)方案下的巷道頂?shù)装逦灰茍D，圖中紅色區(qū)域代表圍巖受應(yīng)力變形較大區(qū)域，與圖1、圖2對比可以看出，實(shí)施注漿加固-卸壓槽聯(lián)合維護(hù)方案可使底鼓量降低為之前的一半，因卸壓槽留有底鼓空間，對巷道底鼓有著良好的抑制效果。圖8為聯(lián)合支護(hù)方案下的巷道兩幫位移圖，圖中紅色區(qū)域代表圍巖受應(yīng)力作用位移較大區(qū)域，與圖3、圖4比較可以看出，注漿加固-卸壓槽聯(lián)合支護(hù)方案能夠使巷道兩幫的變形區(qū)控制在第一個(gè)錨桿處，巷道底角幾乎不變形，且都發(fā)生在卸壓槽的內(nèi)側(cè)，這表明注漿加固-卸壓槽聯(lián)合維護(hù)方案對巷道兩幫有明顯保護(hù)作用。

圖9為聯(lián)合支護(hù)方案下巷道頂?shù)装宓膽?yīng)力圖，與圖5、圖6對比分析可以看出拉應(yīng)力幾乎都發(fā)生在卸壓槽內(nèi)側(cè)，應(yīng)力只達(dá)到0.27 MPa，沒有發(fā)生拉斷破壞，說明采用聯(lián)合支護(hù)方案能夠?qū)ο锏赖装宓膽?yīng)力狀態(tài)起到較好的改善作用，并且底板應(yīng)力被轉(zhuǎn)移到卸壓槽內(nèi)部，這表明新的聯(lián)合維護(hù)方案可以很好地抑制巷道底鼓的發(fā)生。

圖7 聯(lián)合支護(hù)方案下巷道頂?shù)装逦灰茍D

圖8 聯(lián)合支護(hù)方案巷道兩幫位移圖

圖9 聯(lián)合支護(hù)方案下巷道頂?shù)装鍛?yīng)力圖

綜上分析，注漿加固-卸壓槽聯(lián)合維護(hù)方案對1201軌道順槽底鼓和兩幫變形破壞有著顯著的抑制作用，這表明注漿加固-卸壓槽聯(lián)合維護(hù)方案對于1201軌道順槽是可行的。

3 底鼓治理參數(shù)的確定

1）卸壓槽參數(shù)的確定。按經(jīng)驗(yàn)卸壓槽寬度取值多為0.5 m～0.6 m，且卸壓槽深度不小于0.5倍的巷寬。a.卸壓槽寬度。對于1201軌道順槽，巷高2.6 m，寬3.2 m，如果卸壓槽寬度H過小，則達(dá)不到降低應(yīng)力集中的目的，如果H過大，則其承受側(cè)壓的能力將大幅下降，反而會(huì)使巷道容易變性破壞，并且增加開槽工程量。通過對現(xiàn)場調(diào)查分析，最終將槽寬H定為0.6 m，并將卸壓槽位置選定在運(yùn)輸軌道的下部巖層中。b.卸壓槽深度。卸壓槽的開挖深度對降低應(yīng)力集中的作用有很大聯(lián)系，也是底鼓控制能力強(qiáng)弱的關(guān)鍵。如果卸壓槽深度L過小，卸壓槽的卸壓能力不足，同時(shí)還會(huì)降低底板巖層強(qiáng)度，對實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)不利。依據(jù)德國埃森研究中心得出的關(guān)系式：

式中：A為卸壓槽到巷幫距離，取1.9 m；L為卸壓槽的開挖深度，m。

故卸壓槽槽深L必須大于1.9 m，由于賦存狀態(tài)不同以及炮眼爆破時(shí)存在底部夾制作用，要確保低強(qiáng)度巖體被完全切割，考慮到卸壓槽槽深必須不小于0.5倍的巷寬，所以將卸壓槽槽深L最終定為2.0 m。

2）卸壓槽施工方法。a.爆破開槽：利用風(fēng)鎬機(jī)械式開挖卸壓槽。b.卸壓槽填充：向卸壓槽中充填雜矸，其上鋪設(shè)運(yùn)輸軌道。

3.2 錨注加固參數(shù)的確定

1）注漿材料。本次所選的注漿材料為普通硅酸鹽水泥。正常注漿應(yīng)使用單液水泥漿，即通過風(fēng)動(dòng)拌漿機(jī)制漿，水灰比為1:1左右的水泥漿液。固管、跑漿和封孔等特殊時(shí)期可臨時(shí)將注漿材料換為水泥-水玻璃雙液漿。

2）注漿孔布置參數(shù)。a.注漿孔的間距。此項(xiàng)參數(shù)應(yīng)通過滲透半徑R來確定，R取值1.4 m。依據(jù)馬格公式，注漿孔間距通常取1.5R～2.5R，本次取1.8R，即c=1.4×1.8=2.52 m，最終將注漿孔間距確定為2.5 m。b.注漿孔孔深。注漿孔孔深H由巷道圍巖破碎半徑R決定，經(jīng)現(xiàn)場觀測，巷道圍巖破碎半徑R小于1.4 m。H=1.3R～1.8R，這里取1.6R，即H= 1.6 x1.4=2.24 m，取2.2 m。c.注漿孔直徑。直徑取值42 mm。

3）注漿量。參考以往經(jīng)驗(yàn)，每孔注入2袋～6袋水泥為宜。如發(fā)生漿液溢出則暫停注漿工作，漿液初凝之后才可繼續(xù)注漿。

4）注漿壓力。參考已有施工經(jīng)驗(yàn)，本次施工注漿最高壓力值為2 MPa。

5）水灰比。經(jīng)試驗(yàn)得出水泥漿的水灰比應(yīng)為1:1～1:0.8。本次采用1:1的水灰比配漿，按此方法不但經(jīng)濟(jì)合理，而且注漿后松散巖體強(qiáng)度高，其抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到10 MPa～20 MPa。

4 結(jié)束語

通過列舉不同的底鼓控制方法，并結(jié)合1201順槽的實(shí)際情況，對這些方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定了巷幫錨注加固，開底板卸壓槽的聯(lián)合維護(hù)方案。利用FlAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，論證了新方案的可行性及其有效性。經(jīng)過現(xiàn)場考察、分析計(jì)算，給出了方案中的具體參數(shù)。

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（編輯：樊 敏）

Numerical Simulation on Floor Heave Control in No.1201 Mining Roadway in Shenghua Mine

LIU Hongtai
(Zezhou Tian'an Shenghua Coal Co.,Ltd.,Jincheng Coal Group,Jincheng 048000,China)

Aiming at the floor heave in No.1201 caving roadway in Shenghua Mine,FLAC3Dsoftware was used to simulate the stress distribution and displacement failure on different gateways without support, with the previous support,and with the newreinforced support.Then the instability mechanism of the floor failure of the original support was achieved.The results show that the combined support plan could effectivelycontrol the floor heave.The parameters ofthe newplan was alsodetermined.

numerical simulation;floor heave mechanism;treatment scheme

TD322

A

1672-5050（2016）04-019-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.006

2016-05-06

劉洪太（1969-），男，山西澤州人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦企業(yè)管理工作。