黃 勇，王志堅(jiān)，劉傳義，田文龍，劉 垚，許金夢(mèng)

(1.山西潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046103；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

隨著煤炭開采深度的增加，復(fù)雜的工程地質(zhì)條件與特殊的圍巖力學(xué)性質(zhì)使巷道變形問題日趨嚴(yán)重，暢通、穩(wěn)定的巷道是煤礦安全生產(chǎn)的基本保障。針對(duì)煤礦大巷的大變形問題，最為典型的支護(hù)方法有圍巖加固和表面支護(hù)[1-2].常用的圍巖加固手段包括錨桿支護(hù)[3]和錨索支護(hù)[4]，由于錨桿支護(hù)和錨索支護(hù)中桿體或者索體可以進(jìn)入巖體內(nèi)部，并由錨固劑(樹脂或水泥砂漿)與周圍巖體黏結(jié)在一起[5]，通過機(jī)械咬合力和摩擦力提供支護(hù)阻力[6]，所以可以有效提高巖體的穩(wěn)定性并充分發(fā)揮巖體的自承能力[7].錨桿(索)支護(hù)自20世紀(jì)初在煤礦應(yīng)用成功之后，在礦山硐室加固和巷道加固中被大量應(yīng)用[8].與圍巖加固不同，表面支護(hù)泛指在巷道或硐室表面采用砌碹[9]、噴射混凝土[10]或錨網(wǎng)[11]等方式對(duì)開挖空間表面進(jìn)行維護(hù)的支護(hù)方法。工程實(shí)踐結(jié)果表明，當(dāng)開挖空間周圍巖體較為破碎時(shí)，表面支護(hù)可以有效維持開挖空間表面巖體的穩(wěn)定性[12-13].本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，以余吾煤業(yè)北風(fēng)井西翼采區(qū)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬研究圍巖加固和表面支護(hù)兩種方式對(duì)西翼采區(qū)開拓大巷的支護(hù)效果，對(duì)比兩種不同的支護(hù)方式對(duì)開拓大巷穩(wěn)定性及塑性區(qū)分布的影響作用，以期為優(yōu)化西翼采區(qū)開拓大巷的支護(hù)方式提供一定的理論參考。

1 礦井概況

余吾煤業(yè)主要開采3#煤層，煤層平均厚度6.02 m，埋深約531 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為7.5 Mt/a，礦井采用立井單水平開拓，長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法。整個(gè)礦井劃分為9個(gè)采區(qū)，目前正在對(duì)北風(fēng)井西翼采區(qū)進(jìn)行開采，西翼采區(qū)采掘工程平面圖見圖1.

圖1 西翼采區(qū)采掘工程平面圖

為了保證北風(fēng)井西翼采區(qū)開采過程中采、掘、機(jī)、運(yùn)、通等各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在西翼采區(qū)布置了5條開拓大巷，包括1條進(jìn)風(fēng)大巷，2條回風(fēng)大巷，1條運(yùn)輸大巷和1條輔助運(yùn)輸大巷。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中發(fā)現(xiàn)，西翼采區(qū)開拓大巷變形破壞極其嚴(yán)重，頂板下沉量大，下沉量最大達(dá)2.5 m左右，巷道左右兩幫縮進(jìn)嚴(yán)重，縮進(jìn)量最大達(dá)1 m左右，回風(fēng)大巷部分區(qū)段甚至出現(xiàn)巷道閉合的現(xiàn)象。

針對(duì)上述問題，目前采取挑頂和刷幫的方法，對(duì)開拓大巷進(jìn)行不斷翻修，例如將大巷上方即將垮落的頂板挑落，切斷外露的錨桿和錨索，然后重新對(duì)頂板進(jìn)行錨桿(索)支護(hù)，但效果不明顯，大巷斷面仍繼續(xù)變形，部分區(qū)域甚至趨于閉合。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立及初始平衡

由圖1可知西翼采區(qū)各工作面與開拓大巷的相對(duì)位置關(guān)系，其中N1201、N1202、N1203、N1205、N1101和N1102等工作面均已開采結(jié)束，N1100、N1103和N1105工作面即將開采。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，以N1105工作面為例選用FLAC3D軟件進(jìn)行單獨(dú)建模計(jì)算。沿著N1105工作面的推進(jìn)方向進(jìn)行剖斷，并得到剖斷面上頂板、煤層、底板、回采工作面和開拓大巷的相對(duì)位置關(guān)系及尺寸，見圖2.在該模型中，開拓大巷的寬度為5 m，高度為4 m，參考實(shí)際的開采經(jīng)驗(yàn)，回采工作面停采線位置處留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度為100 m.

圖2 N1105工作面沿著工作面推進(jìn)方向的頂?shù)讓游魂P(guān)系圖

首先建立工作面及開拓大巷尚未開采或開挖的模型，四周及底部設(shè)置為滾筒支撐的位移邊界條件，頂部施加一鉛直向下大小為10 MPa的壓應(yīng)力，以模擬上覆巖層的壓應(yīng)力。模型中，頂板、煤層及底板均采用摩爾庫(kù)倫模型，相應(yīng)的材料參數(shù)見表1.

表1 模型中頂板、煤層及底板對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)表

2.2 無支護(hù)下模擬分析

對(duì)該模型進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，直至最大不平衡力比率小于1×10-5.待網(wǎng)格平衡之后，對(duì)5條開拓大巷進(jìn)行開挖，并再次對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算，直至重新獲得應(yīng)力平衡。之后模擬工作面開采，直至工作面推進(jìn)至停采線，隨后對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算直至模型獲得平衡，得到此時(shí)開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區(qū)分布，見圖3.

圖3 未支護(hù)條件下開拓大巷周圍塑性區(qū)分布圖

由圖3可以看出，開拓大巷未支護(hù)條件下，工作面開采后大巷周圍煤巖體中塑性區(qū)發(fā)育明顯，左右兩幫中塑性區(qū)的破壞深度約為3 m，頂板中的破壞深度約為2 m，底板中的破壞深度約為1 m.

開拓大巷周圍煤巖體中的鉛直應(yīng)力分布見圖4.由圖4可以看出，在開拓大巷的頂板和底板中均形成了拉應(yīng)力，而在開拓大巷左右兩側(cè)煤體中形成了鉛直壓應(yīng)力的疊加。

圖4 未支護(hù)條件下開拓大巷周圍煤巖體中的鉛直應(yīng)力分布圖

2.3 表面支護(hù)效果分析

利用FLAC3D中的apply命令對(duì)開拓大巷表面施加法向壓應(yīng)力(圖5)，以模擬表面支護(hù)對(duì)開拓大巷的支撐作用。設(shè)置表面支護(hù)的壓應(yīng)力大小分別為0.5 MPa、1 MPa和1.5 MPa，對(duì)工作面進(jìn)行回采模擬，得到模型穩(wěn)定之后開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區(qū)分布，見圖6，7，8.

圖5 采用表面支護(hù)對(duì)開拓大巷的支護(hù)圖

將圖6，7，8與圖3進(jìn)行對(duì)比可以看出，表面支護(hù)對(duì)提高開拓大巷穩(wěn)定性及降低塑性區(qū)的發(fā)育程度有明顯作用。當(dāng)表面支護(hù)的強(qiáng)度為0.5 MPa，開拓大巷左右兩幫的破壞深度有所下降，但下降數(shù)值不大；提高表面支護(hù)強(qiáng)度為1 MPa時(shí)，開拓大巷左右兩幫的破壞深度下降至平均2 m，頂板破壞深度下降至平均1 m；繼續(xù)提高表面支護(hù)強(qiáng)度為1.5 MPa，開拓大巷周圍塑性區(qū)的體積進(jìn)一步縮小，左右兩幫的破壞深度下降至平均1.5 m，底板破壞深度趨于0.這說明，表面支護(hù)的方式及強(qiáng)度對(duì)提高開拓大巷周圍巖體的穩(wěn)定性有重要作用，通過提高表面支護(hù)強(qiáng)度可以降低開拓大巷周圍巖體中的塑性區(qū)發(fā)育。

圖6 表面支護(hù)為0.5 MPa時(shí)工作面開采后開拓大巷周圍塑性區(qū)分布圖

分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于，通過施加表面支護(hù)的方式，解除了開拓大巷開挖空間的自由面，改變了開拓大巷范圍內(nèi)的邊界條件，限制了圍巖向開挖空間收斂的趨勢(shì)，從而提高了巖體的穩(wěn)定性。

圖7 表面支護(hù)為1.0 MPa時(shí)工作面開采后開拓大巷周圍塑性區(qū)分布圖

圖8 表面支護(hù)為1.5 MPa時(shí)工作面開采后開拓大巷周圍塑性區(qū)分布圖

2.4 錨桿(索)加固效果分析

為研究圍巖加固對(duì)開拓大巷穩(wěn)定性的影響，在開拓大巷開挖后，采用錨桿支護(hù)和錨索支護(hù)對(duì)5條開拓大巷進(jìn)行加固，其中錨桿長(zhǎng)度為3 m，錨固方式為全長(zhǎng)錨固；錨索長(zhǎng)度為8 m，錨固方式為端頭錨固。錨桿和錨索的輸入?yún)?shù)見表2.

表2 錨桿和錨索的錨固方式及輸入?yún)?shù)表

對(duì)工作面進(jìn)行開采，并計(jì)算模型至平衡，獲得此時(shí)錨桿(索)內(nèi)的軸力分布，見圖9.由圖9可以看出，在當(dāng)前條件下，最大軸力約為124 kN，最大軸力均出現(xiàn)在巷道左右兩幫中的幫錨桿內(nèi)。

圖9 工作面開采后錨桿(索)內(nèi)的軸力分布圖

同時(shí)獲得錨桿(索)加固后的開拓大巷周圍煤巖體中的塑性區(qū)分布圖，見圖10.與圖3進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，雖然采用了錨桿(索)進(jìn)行了圍巖加固，但工作面開采之后，開拓大巷周圍塑性區(qū)的體積并沒有明顯縮小，說明此種條件下采用錨桿(索)支護(hù)對(duì)提高巷道的穩(wěn)定性作用不明顯。分析原因在于，開拓大巷布置在3#煤層中，而3#煤層自身裂隙發(fā)育明顯，穩(wěn)定性差，所以錨桿作用范圍內(nèi)的圍巖自身承載能力弱，錨桿支護(hù)不能充分發(fā)揮其提高圍巖自承能力的作用。

圖10 錨桿(索)支護(hù)條件下工作面開采后的塑性區(qū)分布圖

3 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬方法對(duì)余吾煤業(yè)西翼采區(qū)開拓大巷的穩(wěn)定性及巷道周圍巖體中的塑性區(qū)發(fā)育展開了研究，對(duì)比分析了圍巖加固和表面支護(hù)這兩種方式對(duì)西翼采區(qū)開拓大巷穩(wěn)定性的影響：

1)以表面施加法向壓應(yīng)力的方式模擬了表面支護(hù)對(duì)開拓大巷穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，采用表面支護(hù)的方式可以有效減少開拓大巷開挖空間的自由面，從而改變開挖空間的邊界條件，限制了開拓大巷周圍巖體向開挖空間內(nèi)的收斂，提高了煤巖體的穩(wěn)定性。此外，通過增加法向壓應(yīng)力的強(qiáng)度，可以有效降低開拓大巷周圍巖體中塑性區(qū)的發(fā)育程度，從而提高開拓大巷的穩(wěn)定性，當(dāng)表面支護(hù)強(qiáng)度為1.5 MPa時(shí)，開拓大巷左右兩幫的破壞深度下降約1.5 m，頂板破壞深度下降約1 m.

2)西翼采區(qū)的開拓大巷布置在煤層中，開拓大巷上方頂板及兩幫均為煤體，由于煤體內(nèi)部節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，穩(wěn)定性較差。因此，錨桿并未能充分發(fā)揮其提高圍巖自承能力的作用，此種條件下，采用錨桿(索)不能有效降低巷道周圍塑性區(qū)的發(fā)展。