石建軍，郭均中，郭志飚，劉宏偉

(1. 華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601; 2. 中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083; 3. 威信云投粵電煤炭有限公司，云南 昭通 657900)

軟巖巷道支護優(yōu)化設計與模擬分析

石建軍1，郭均中1，郭志飚2，劉宏偉3

(1. 華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 101601; 2. 中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083; 3. 威信云投粵電煤炭有限公司，云南 昭通 657900)

基于云南觀音山煤礦已有的煤層地質條件，針對位于泥質松軟巖層中的二井+1100m水平運輸大巷破壞嚴重，原軟巖巷道支護設計不能滿足使用要求，重新優(yōu)化了支護參數(shù)，并進行模擬分析。采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，建立了原支護巷道工程地質力學模型，分析巷道變形破壞過程中的應力分布情況，巷道周圍形成“兩側”應力集中，常常造成巷道兩邊剪壞，無錨索支護時，巷道拱頂應力集中程度較高。根據(jù)結果重新進行了錨網索支護參數(shù)設計，并進行了對比分析。結果表明：增加了錨網索支護后，剪應力分布較為均勻，使巷道深部巖體也承擔了淺部圍巖的支護荷載，從而減小了巷道的變形量，通過錨索的作用，調動了巷道深部圍巖的強度，從到了對巷道淺部圍巖的支護效果。

軟巖巷道；支護；錨網索；數(shù)值模擬；優(yōu)化

0 引言

隨著我國大多數(shù)煤礦相繼進入深部開采狀態(tài)，巷道支護困難，且常出現(xiàn)重復翻修現(xiàn)象，維護費用高。深部軟巖巷道控制成為這些企業(yè)亟待解決的關鍵難題之一[1-3]。觀音山煤礦巷道工程多位于龍?zhí)督M煤系地層內，部分位于龍?zhí)督M煤系地層底板玄武巖內。自井巷工程進入龍?zhí)督M煤系地層后，巷道發(fā)生不同程度的破壞，尤其是位于泥質松軟巖層中的二井+1100 m水平運輸大巷破壞嚴重。

由于觀音山煤礦多條開拓和準備巷道置在泥質巖層中，圍巖強度較低，層理、節(jié)理發(fā)育，造成巷道施工后出現(xiàn)了一些非線性大變形力學現(xiàn)象，如巷道片幫、兩幫大變形、噴體開裂、底臌等現(xiàn)象，造成巷道圍巖變形嚴重等。上述問題給支護與開采帶來了很大的難度，嚴重影響礦井接續(xù)，造成安全生產隱患，制約了觀音山煤礦的發(fā)展。以+1100 m水平運輸大巷和回風上山支護工程作為對象，進行巷道支護優(yōu)化研究，為煤礦深部資源高產高效、安全生產提供技術保障[4-6]。

1 地質條件

威信云投粵電扎西能源有限公司觀音山井田可采煤層為C1、C5兩層，礦井投產時移交西一一、西一二采區(qū)，兩采區(qū)開采范圍內C5煤層全區(qū)可采，其中西一一采區(qū)和西一二采區(qū)東翼C5煤層存在增厚現(xiàn)象，煤厚最厚11.51 m，平均在4.37～6.59 m之間，煤層傾角32°～39°，西一二采區(qū)西翼C5煤層厚在2.52～2.61 m之間，煤層傾角40°；總體上煤層有由淺至深厚度變薄、傾角逐漸變緩的趨勢。

煤層直接頂板一般為深灰色泥巖，局部為泥質灰?guī)r，厚度0.09～4.6 m，一般0.5～1.5 m；直接底板為淺灰色泥巖、砂質泥巖，厚0.5～2.87 m，一般1～2 m?？刹擅簩犹卣饕姳?。

表1 可采煤層特征表

2 原支護設計

二井+1100 m水平運輸大巷，原支護設計如圖1所示，巷道破壞如圖2所示。

圖1 原巷道支護圖

圖2 巷道破壞圖

3 原支護模擬分析

建立原巷道的工程地質力學模型，通過FLAC3D軟件對模型進行數(shù)值模擬，分析巷道變形破壞過程中的應力分布情況，從而為進一步分析支護對策和優(yōu)化支護參數(shù)提供科學依據(jù)。

3.1 計算模型的建立

計算范圍長×寬×高=20 m×30 m×30 m，共劃分15270個單元，16832個節(jié)點。該模型側面限制水平移動，底部固定，模型上表面為應力邊界，施加的荷載為27 MPa，模擬上覆巖體的自重邊界。

材料破壞符合Mohr-Coulomb強度準則。X方向荷載大小為39.2 MPa，Y方向的荷載大小為23.1 MPa。[7-10]工程巖體的物理力學計算參數(shù)見表2，模型見圖3。

表2 巖體物理力學性質

圖3 模型圖

3.2 圍巖應力和位移模擬

圍巖應力和位移模擬如圖4～6所示。

圖4 σx和σy應力圖

圖5 τxy應力圖

圖6 巷道變形圖

由圖4～6可以看出，巷道周圍形成“兩側”應力集中關鍵部位，常造成巷道兩邊剪壞，無錨索支護時，巷道拱頂應力集中程度較高。

4 新支護設計與模擬

4.1 新支護設計

修改支護設計，在原設計的基礎上頂板施加兩根8 m長錨索調動深部圍巖自承能力。底角施加4根45°錨桿。增加了網和錨桿耦合。

圖7 新巷道支護圖

4.2 圍巖應力和位移的變化

增加了錨網支護后，水平方向應力僅在支護體范圍附近比較明顯。應力集中區(qū)出現(xiàn)在巷道的兩角部。如圖8所示。剪應力主要出現(xiàn)在支護體內，分布較為均勻。如圖9所示。

圖10中巖體變形明顯變小，同時，巷道整體變形也更均勻。

4.3 錨索作用分析

圖8 σx和σy應力圖

圖9 τxy應力圖

圖10 巷道變形圖

圖11～12是在均質圍巖條件下錨索加固模擬計算結果。由圖11可以看出，沒有錨索支護時，巷道周圍形成“兩側”應力集中關鍵部位，常常造成巷道兩邊剪壞；在應力集中關鍵點上施工錨索后，淺部圍巖剪應力集中程度明顯減小，深部巖體的剪應力水平顯著增加，表明調動了深部巖體強度，控制了淺部巖體的穩(wěn)定性。

圖11 施加錨索前后xy應力圖

圖12 施加錨索前后y應力圖

由圖12可以看出，無錨索支護時，巷道拱頂應力集中程度較高，施加錨索后，使應力集中程度大幅度降低，同時使深部圍巖巖體σy發(fā)生集中。

通過比較可以看出，施加錨索支護后巷道圍巖應力分布具有明顯不同，主要表現(xiàn)在施加錨索支護后，剪應力明顯向巷道深部圍巖延伸、擴張，應力集中程度相對減小，在巷道圍巖深部錨索頂端出現(xiàn)拉應力集中區(qū)。這說明由于錨索的作用，使巷道深部巖體也承擔了淺部圍巖的支護荷載，從而減小了巷道的變形量。同時，巷道開挖后，圍巖的強度由空區(qū)向深部逐漸增大到原巖強度，通過錨索的作用，調動了巷道深部圍巖的強度，從而達到了對巷道淺部圍巖的支護效果。

5 支護效果

原巷道由于支護方式及參數(shù)不完善，變形嚴重，如出現(xiàn)了，巷道底鼓，頂板下沉嚴重，幫鼓出現(xiàn)象。為了滿足運輸大巷和回風大行的使用繼續(xù)要求，在不影響生產的情況下逐段翻修，由于翻修工程量大，調用專門隊伍進行翻修。圖13為翻修巷道經過修改支護參數(shù)現(xiàn)場實際情況圖。滿足了現(xiàn)場使用要求。

圖13 支護巷道效果圖

圖14為翻修巷道實測U～t曲線，由于巷道斷面增加了兩根8000 mm的錨索和四根底角45°錨索，現(xiàn)場使用效果較好。新參數(shù)使用后巷道頂板下沉、兩幫鼓出、底板鼓起變形明顯好轉。無論是頂板、底板、兩幫的變形大約在55天后穩(wěn)定，其中頂板最終下沉量達到28 mm；兩幫鼓出量達到23 mm；底鼓量36 mm。實現(xiàn)了巷道的穩(wěn)定。

圖14 巷道實測U～t曲線圖

6 結論

根據(jù)觀音山煤礦+1100 m水平運輸大巷原支護巷道破壞嚴重，重新設計支護參數(shù)，滿足了使用要求可以得出以下結論：

(1) 在原來支護基礎上使用錨網索支護，實測巷道支護滿足使用要求。

(2) 增加了錨網支護后，水平方向應力僅在支護體范圍附近比較明顯。應力集中區(qū)出現(xiàn)在巷道的兩角部。剪應力主要出現(xiàn)在支護體內，分布較為均勻。效果得到改善

(3) 施加錨索支護后，使巷道深部巖體也承擔了淺部圍巖的支護荷載，從而減小了巷道的變形量，通過錨索的作用，調動了巷道深部圍巖的強度，從而達到了對巷道淺部圍巖的支護效果。

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Numerical Simulation and optimization of the supporting in soft rock

SHI Jian-jun1，GUO Jun-zhong1，GUO Zhi-biao2，LIU Hong-wei3

(1.SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China; 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing,100083,China; 3.WeixinYunnanElectricCapitalLtd.,Zhaotong, 657900,China)

Based on the geological conditions of coal seam in Guanyinshan coal mine, for the severe damaged transport roadway at the level of 1100m in No.2 well located in argillaceous soft rock, and the original soft rock roadway support design cannot meet the use requirements, the support parameters are optimized and analyzed simulatively. Using the numerical simulation software FLAC3D, the engineering geological mechanical model of original support roadway is established, and the stress distribution in the process of roadway deformation and failure is analyzed. The stress concentration forms on both sides around the roadway, which often results in shear failure on both sides of roadway. The stress concentration of roadway vault is high without anchor supporting. Based on the results, the parameters of bolt mesh cable support are designed, and the comparative analysis is carried out. The results show that after increasing the bolt mesh anchor support, shear stress distribution is more uniform, the deep rock mass of roadway also bears the support load of shallow rock, so as to reduce the amount of rock deformation. With the anchor, the strength of the deep roadway surrounding rock is mobilized, so as to achieve the support effect of roadway shallow rock.

soft rock roadway supporting, cable anchor; numerical simulation; optimization

2017-03-23

國家自然科學基金資助(51674119)，河北省自然科學基金資助(E2016508003)，中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(3142015084)

石建軍(1975-)，男，黑龍江人，博士，華北科技學院安全工程學院副教授，研究方向：礦山壓力及其控制。E-mail: shjjwrh@126.com

TD353

A

1672-7169(2017)02-0015-04