秦堅(jiān),袁越,付金磊,尚璽

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201;3.煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

我國(guó)的國(guó)土面積十分廣闊,煤炭資源豐富,分布地點(diǎn)復(fù)雜多樣,導(dǎo)致煤礦開(kāi)采受多方面因素影響,在開(kāi)采過(guò)程中,巷道圍巖會(huì)產(chǎn)生變形破壞,讓礦井開(kāi)采和工作人員的安全受到巨大的影響[1-3].在影響煤礦開(kāi)采的眾多方面中,巷道圍巖控制又是關(guān)鍵因素之一[4，5],因此控制巷道圍巖變形破壞是保證煤礦資源和工作人員安全的重中之重.當(dāng)煤礦開(kāi)采條件較惡劣時(shí),如巷道底板為軟弱巖層或加載高應(yīng)力,巷道變形破壞將會(huì)更加顯著[6]，這時(shí)巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)和選擇顯得尤為關(guān)鍵.若巷道支護(hù)效果沒(méi)有達(dá)到要求,巷道圍巖的變形破壞反而更加劇烈,這不僅浪費(fèi)支護(hù)材料和成本,造成二次支護(hù)的負(fù)擔(dān),甚至還嚴(yán)重威脅工作人員的安全[7-9].砂礫層性質(zhì)較為復(fù)雜、結(jié)構(gòu)松散、透水性較強(qiáng)、整體性差,巷道在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)有片幫、漏頂、支架壓垮等大變形破壞現(xiàn)象.隨著砂礫層巷道圍巖環(huán)境愈加復(fù)雜,巷道頂板控制難度更大,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,威脅施工人員及設(shè)備的安全.而我國(guó)對(duì)于中生代砂礫層巷道圍巖的研究較為缺乏,本支護(hù)方案可為其他礦區(qū)建設(shè)和類(lèi)似圍巖條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性提供一定的參考和借鑒.相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家和學(xué)者已經(jīng)有多年的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),為巷道圍巖控制提供重要指導(dǎo)和參考.袁越等[10,11]對(duì)西部礦區(qū)砂礫層巷道圍巖進(jìn)行了相關(guān)研究,并給出相應(yīng)的支護(hù)對(duì)策.李國(guó)峰等[12,13]使用FLAC3D軟件模擬巷道開(kāi)挖到支護(hù)破壞的過(guò)程,通過(guò)分析原支護(hù)方案的失利原因,提出“一體化”耦合支護(hù)技術(shù).康紅普等[14,15]基于對(duì)錨桿支護(hù)原理的研究,提出強(qiáng)力支護(hù)理論,開(kāi)發(fā)了錨桿支護(hù)的成套技術(shù).鎬振等[16]利用數(shù)值模擬的方法模擬回采巷道變形破壞過(guò)程,提出了相應(yīng)的錨網(wǎng)索噴支護(hù)技術(shù).王襄禹等[17]分析近斷層采動(dòng)巷道的變形破壞機(jī)制,研究近斷層采動(dòng)巷道圍巖控制技術(shù),提出非對(duì)稱(chēng)耦合支護(hù)原理和讓壓錨桿工作原理,運(yùn)用該原理支護(hù)取得了良好效果.李彥斌等[18]研究高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)問(wèn)題,采用數(shù)值模擬技術(shù)提出了合理的支護(hù)技術(shù).本文根據(jù)沙吉海煤礦巷道圍巖的實(shí)際受力情況,提出了一種無(wú)腿棚支護(hù)方案,該無(wú)腿棚支護(hù)方案充分利用巷道兩幫煤層,盡量減少頂板涌水導(dǎo)入施工巷道,可以實(shí)現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)的施工目標(biāo).采用有限元分析軟件Midas-GTS和有限差分軟件FLAC3D建立無(wú)腿棚支護(hù)三維實(shí)體模型并進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析,為該方案的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了理論依據(jù)，具有指導(dǎo)意義.

1 工程概況

1.1 工作面條件

沙吉海煤礦首采工作面運(yùn)輸平巷,其設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為2 382 m,工作面設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)度為200 m,煤層平均厚度為3.29 m,煤層整體傾角為9°～13°.01工作面設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為1.57 Mt,工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤方法,采煤工藝為綜合機(jī)械化采煤.

煤層的頂板巖石以砂礫層、粗砂巖、泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖為主,其中礫巖頂板在一、二采區(qū)內(nèi)分布較為廣泛;煤層底板巖石以泥巖(含碳泥巖)、細(xì)砂巖、粉砂巖為主,巖石極軟,僅個(gè)別層位以中砂、細(xì)砂、粉砂巖為底板時(shí),屬次軟巖石.圖1為運(yùn)輸平巷頂?shù)装鍘r性分析.

圖1 運(yùn)輸平巷頂?shù)装鍘r性分析

1.2 巷道布置及原支護(hù)方式

01工作面兩平巷采用沿煤層走向布置,巷道斷面均采用梯形斷面.運(yùn)輸平巷凈寬為4.3 m,最低高度為3.0 m,凈斷面為14.5 m2;軌道平巷凈寬為3.8 m,最低高度為3.0 m,凈斷面為13.1 m2;兩平巷原設(shè)計(jì)采用架設(shè)金屬支架和錨網(wǎng)索兩種支護(hù)方式支護(hù)巷道.原支護(hù)方案中,由于頂板砂礫層硬度大,鉆進(jìn)較為困難,導(dǎo)致工作進(jìn)度緩慢;巷道中涌水較多,底板泥巖泥化現(xiàn)象嚴(yán)重;巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度較低,使頂?shù)装遄冃屋^大.而在采用無(wú)腿棚支護(hù)方案后,頂板控制效果明顯,具有以下突出優(yōu)勢(shì):(1)減少了頂板涌水導(dǎo)入巷道,避免了底板泥巖泥化、砂化,為巷道綜掘工藝奠定了基礎(chǔ);(2)充分利用兩幫煤壁進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù),將頂板載荷傳遞給巷道兩幫;(3)實(shí)現(xiàn)了錨網(wǎng)主動(dòng)支護(hù)和金屬支架被動(dòng)支護(hù)的組合支護(hù)體系,能加快工程施工.

2 頂板支護(hù)難點(diǎn)及控制對(duì)策

2.1 支護(hù)難點(diǎn)

由于在沙吉海煤礦首采工作面平巷施工時(shí),頂板砂礫層硬度較大,鉆孔極為困難,鉆頭磨損嚴(yán)重,較難進(jìn)行傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù),并且頂板涌水極易順鉆孔導(dǎo)入巷道,造成底板泥巖泥化,在掘進(jìn)過(guò)程中松軟煤層頂板容易破碎,伴有大量頂煤冒落且圍巖破壞嚴(yán)重.

2.2 控制對(duì)策

為解決頂板支護(hù)難題,提出一種無(wú)腿支護(hù)方案:

1)沙吉海煤礦01運(yùn)輸平巷擬采用無(wú)腿棚支護(hù)方案,沿頂煤支護(hù)模式.無(wú)腿棚橫梁采用11#礦用工字鋼,棚距800 mm,支撐橫梁的金屬托架采用20 mm厚的金屬鋼板,工字鋼兩端與金屬托架采用U型卡連接,分別采用3根Φ22 mm×2 200 mm的普通錨桿固定兩端的金屬托架,并全長(zhǎng)錨固.橫梁中部布置2根鎖梁恒阻大變形錨桿.

2)巷道兩幫采用錨網(wǎng)+鋼筋梯支護(hù).平巷上幫煤壁采用Φ22mm×2 200 mm的玻璃鋼錨桿,平巷下幫及鎖梁錨桿采用Φ22 mm×2 700 mm的恒阻大變形錨桿.鋼筋梯采用Φ14 mm圓鋼加工.圖2為無(wú)腿棚支護(hù)方案.

圖2 無(wú)腿棚支護(hù)方案(單位：mm)

無(wú)腿棚支護(hù)方案以11#礦用工字鋼為橫梁,以金屬托架為支撐點(diǎn),金屬橫梁安裝在金屬托架上,金屬托架使用Φ20 mm×2 200 mm的左旋螺紋鋼錨桿進(jìn)行端錨固定,錨固劑選用CK2860型樹(shù)脂錨固劑,采用全長(zhǎng)錨固;巷道兩幫采用錨網(wǎng)+鋼筋梯支護(hù),巷道下幫選用金屬錨桿,錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 200 mm,錨固劑選用CK2860型樹(shù)脂錨固劑2塊;巷道上幫為便于采煤選用玻璃鋼錨桿,錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 200 mm,錨固劑選用CK2860型樹(shù)脂錨固劑2塊;金屬網(wǎng)采用菱形編制,采用Φ12 mm鋼筋制作鋼筋梯,采用橫向與縱向布置;橫梁中部采用2根Φ22 mm×2 700 mm恒阻大變形錨桿進(jìn)行鎖梁,以增加橫梁中部穩(wěn)定性.

3 控制效果的數(shù)值分析

3.1 模型的建立

3.1.1 工程地質(zhì)模型

本部分主要是利用有限元分析軟件Midas-GTS建立了三維實(shí)體模型,將模型轉(zhuǎn)化到有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算模型由六面體單元構(gòu)成,計(jì)算范圍長(zhǎng)×寬×高=30 m×30 m×20 m,共劃分12 600個(gè)單元,14 520個(gè)節(jié)點(diǎn).模型邊界中在x方向上的表面位移設(shè)置為0,y方向上的表面位移設(shè)置為0,底部設(shè)置為固定,模型頂部為應(yīng)力邊界.模型的垂直應(yīng)力設(shè)置為8 MPa,巷道軸向方向應(yīng)力設(shè)置為3.9 MPa,垂直于巷道軸向方向的側(cè)向應(yīng)力設(shè)置為3.2 MPa.圖3為工程地質(zhì)模型.

圖3 工程地質(zhì)模型

3.1.2 支護(hù)力學(xué)模型

在本次數(shù)值模擬中采用FLAC3D中的實(shí)體單元模擬噴層,工字鋼梁采用beam單元模擬,采用cable單元模擬螺紋鋼錨桿、玻璃鋼錨桿和恒阻大變形錨桿,并采用fish語(yǔ)言編輯程序模擬錨桿及工字鋼梁的受力特性.材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則.支護(hù)力學(xué)模型如圖4,圖5為梁?jiǎn)卧?圖6為錨桿單元.

圖4 支護(hù)力學(xué)模型

圖5 梁?jiǎn)卧?/p>

圖6 錨桿單元

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 位移分析

圖7為巷道頂?shù)装搴妥笥覂蓭臀灰票O(jiān)測(cè)曲線.由位移場(chǎng)圖和巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線可知,在開(kāi)挖過(guò)程中,初始階段底頂板和兩幫位移增長(zhǎng)速度都較快,并處于一定的線性增加,后期階段逐漸趨于穩(wěn)定,并且底頂板和兩幫位移穩(wěn)定的時(shí)間都在104step附近.

在該支護(hù)方式下,受上覆巖層壓力的影響,平巷頂中最大下沉量為129 mm(頂板巖層與背板間預(yù)留100 mm的變形量),下沉不明顯;最大底臌量為187 mm,左幫最大移近量為197 mm,右?guī)妥畲笠平?0 mm,左右兩幫呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱(chēng)變形.

通過(guò)對(duì)比分析可知,圖7a巷道頂板的最大下沉量為129 mm;圖7b巷道底板的最大底臌量為187 mm;圖7c巷道左幫的最大位移量是4條監(jiān)測(cè)曲線的最大值,移近量為197 mm;圖7d巷道右?guī)偷淖畲笪灰屏渴?條監(jiān)測(cè)曲線的最小值,移近量為50 mm;各位移曲線在監(jiān)測(cè)后期階段都趨于穩(wěn)定,但左右兩幫出現(xiàn)較明顯的不對(duì)稱(chēng)變形,需加強(qiáng)支護(hù).比較而言,巷道表面位移量較小,變形不明顯,達(dá)到了預(yù)期的控制效果,模擬能保證巷道的穩(wěn)定性.

圖7 巷道頂?shù)装搴蛢蓭蜌v史監(jiān)測(cè)曲線

3.2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

圖8是巷道位于不同方向的應(yīng)力分布.通過(guò)分析應(yīng)力分布圖發(fā)現(xiàn),平巷開(kāi)挖后,隨著時(shí)間的增加,巷道周邊的垂直應(yīng)力值也逐漸增大,但在頂板施加工字鋼梁+恒阻大變形錨桿支護(hù)下頂板應(yīng)力集中部位離巷道較遠(yuǎn),頂板較為穩(wěn)定.由于頂部?jī)山遣课晃丛O(shè)錨桿,導(dǎo)致兩頂角應(yīng)力較高,頂部?jī)山强赡艽嬖趹?yīng)力集中,最大剪應(yīng)力達(dá)到2.8 MPa,穩(wěn)定性較差.

巷道開(kāi)挖過(guò)程中,兩幫由于有錨桿支護(hù),靠近兩幫部位的應(yīng)力偏低,遠(yuǎn)離兩幫部位的圍巖深處應(yīng)力偏高;在水平應(yīng)力場(chǎng)中,由于巷道底部深色區(qū)域較多,說(shuō)明巷道底部應(yīng)力較高,底板及兩底角處存在應(yīng)力集中程度較高的情況;剪應(yīng)力場(chǎng)圖可看出最大剪應(yīng)力達(dá)到3.1 MPa,應(yīng)加強(qiáng)兩底角的支護(hù).

通過(guò)對(duì)比分析可知,圖8a水平應(yīng)力場(chǎng)中,由于頂板施加了新的支護(hù)方法,使頂板應(yīng)力集中區(qū)域離巷道較遠(yuǎn);在圖8b豎直應(yīng)力場(chǎng)中,兩幫有錨桿支護(hù),應(yīng)力集中部位向圍巖深處發(fā)展;在剪應(yīng)力場(chǎng)圖8c中,頂角和底角也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大剪應(yīng)力達(dá)到了3.1 MPa,需要加強(qiáng)支護(hù).總的來(lái)看,該模擬取得了較好的效果,能保證巷道的穩(wěn)定性.

圖8 巷道位于不同方向的應(yīng)力場(chǎng)

3.2.3 破壞場(chǎng)分析

圖9為塑性區(qū)分布圖.由圖9可知,巷道開(kāi)挖后,在該支護(hù)方式下,由于無(wú)腿棚工字鋼梁的承載作用,頂板變形較小,平巷頂板塑性區(qū)的分布范圍明顯比底部塑性區(qū)少,說(shuō)明頂板支護(hù)的控制效果較明顯.

圖9 塑性區(qū)分布

巷道剛開(kāi)挖后兩幫塑性區(qū)面積偏小,但是由于巷道底板的逐漸失穩(wěn)導(dǎo)致兩幫塑性區(qū)處于動(dòng)態(tài)發(fā)展?fàn)顟B(tài),塑性破壞面積不斷增大,且左幫和左底角較為顯著,呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱(chēng)性.相對(duì)而言,巷道周?chē)乃苄詤^(qū)較少,巷道處于較穩(wěn)定的狀態(tài),達(dá)到了預(yù)期的效果.

3.2.4 支護(hù)體受力

圖10是工字鋼梁在不同方向的受力情況和彎矩分布.由工字鋼受力圖可知,隨著巷道的開(kāi)挖,工字鋼梁所受水平擠壓力和豎直方向力隨著時(shí)間增長(zhǎng)而增大,由圖10a和圖10b可知,梁兩端顏色明顯較深,說(shuō)明應(yīng)力主要集中在靠近梁的兩端與巖壁連接處,且豎直方向的力遠(yuǎn)大于水平方向的力.在圖10c和圖10d中,工字鋼梁豎直方向的彎矩明顯大于水平方向的彎矩,其中鋼梁所受最大彎矩集中在距離大約巷道右?guī)偷?/4處.綜上所述,支護(hù)體受力程度在可控彈性范圍內(nèi),能保證巷道的穩(wěn)定性.

圖10 工字鋼梁位于不同方向的應(yīng)力分布和彎矩分布

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

對(duì)沙吉海煤礦01工作面運(yùn)輸平巷頂板及兩幫圍巖進(jìn)行裝置的布置,使用錨桿固定金屬托架,金屬橫梁安裝在金屬托架上,煤壁采用錨網(wǎng)支護(hù),金屬托架下使用鋼筋梯加固煤壁，支護(hù)后的巷道頂板如圖11所示.為了驗(yàn)證該支護(hù)方案對(duì)平巷頂板的控制效果,巷道表面布置了多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)變形量進(jìn)行觀測(cè), 以監(jiān)測(cè)運(yùn)輸平巷頂板的穩(wěn)定性.將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合計(jì)算,得到監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)巷道頂板下沉量與時(shí)間的關(guān)系曲線(如圖12所示).

圖11 支護(hù)后的巷道頂板

圖12 監(jiān)測(cè)曲線

由圖12可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板下沉量在工程開(kāi)挖前期呈現(xiàn)出較快的增長(zhǎng),這一時(shí)期基本為線性增長(zhǎng),到達(dá)工程開(kāi)挖中期階段頂板下沉量開(kāi)始放緩,工程開(kāi)挖后期階段頂板下沉量趨于穩(wěn)定,頂板不再下沉.

比較兩測(cè)站的頂沉曲線,都呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢(shì),且最終下沉量相差不大,下沉量穩(wěn)定在45～55 mm,頂板下沉得到有效控制.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的無(wú)腿棚支護(hù)方案取得了較好的支護(hù)效果,能夠保證工作面的安全生產(chǎn).

5 結(jié)論

1)根據(jù)模擬結(jié)果,巷道底板和兩底角處破壞較為嚴(yán)重,尤其是底板的失穩(wěn)及左底角的破壞嚴(yán)重影響了左幫的穩(wěn)定,導(dǎo)致左幫變形量較大,應(yīng)考慮加強(qiáng)兩底角支護(hù),采用底角注漿錨管進(jìn)行支護(hù),有效控制底臌,從而確保兩幫的穩(wěn)定.

2)為防止因巷道左幫煤壁變形量大而造成無(wú)腿棚的失穩(wěn),應(yīng)保證固定金屬托架的錨桿具有足夠的錨固力和錨桿孔的成孔質(zhì)量.

3)在運(yùn)輸平巷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中,無(wú)腿棚支護(hù)方案與原支護(hù)方案相比,頂板控制效果更加明顯,保證了圍巖的穩(wěn)定性,能有效解決頂板礫層硬度較大等問(wèn)題,充分說(shuō)明了無(wú)腿棚支護(hù)方案的可靠性及支護(hù)的合理性.