復(fù)雜頂板條件下巷道合理支護(hù)參數(shù)研究（煤炭）
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復(fù)雜頂板條件下巷道合理支護(hù)參數(shù)研究（煤炭）
張成文 呂 坤 賀瑞彬 田向陽 武飛岐
（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）
摘要 葛泉礦1192工作面巷道頂板包含8#和9#兩層煤及夾矸，頂板條件復(fù)雜多變，巷道支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性存在難題。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了薄頂煤型和厚頂煤型兩類頂板結(jié)構(gòu)巷道圍巖塑性區(qū)分布特征，當(dāng)頂板由薄頂煤型變?yōu)楹耥?xiàng)煤型時(shí)，頂板圍巖破壞深度隨之增大，兩幫和底板的破壞深度不變，頂板破壞深度最大值2.5m，幫破壞深度最大值2m。結(jié)合塑性區(qū)特征和懸吊理論提出合理支護(hù)參數(shù)，結(jié)果表明煤幫松動(dòng)圈范圍0. 6～0.7m，頂板和兩幫位移量60～80mm，巷道變形量小，基本能夠維持穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞 復(fù)雜頂板數(shù)值模擬 圍巖塑性區(qū) 支護(hù)參數(shù) 中圖分類號(hào) TD353
針對葛泉礦不同頂板賦存特征，通過FLAC3D模擬不同頂板條件下巷道圍巖塑性破壞
規(guī)律，選擇塑性區(qū)最壞情況進(jìn)行分析，結(jié)合懸吊理論，提出合理的錨桿錨索支護(hù)參數(shù)，最后進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，并進(jìn)行了礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測。
1 工程背景
葛泉煤礦1192工作面位于西翼運(yùn)輸大巷上方，走向長度75 m，傾斜長約410 m，工作面沿傾向推進(jìn)。主采9#煤層，埋深170～260 m，煤層厚度4～6 m，煤層傾角80～170。1192工作面上覆8#煤層和9#煤層，回采巷道頂板包含8#和9#兩煤層及夾矸，總厚度在5～12 m之間，為復(fù)合頂板，頂板條件復(fù)雜多變。1192工作面擬采用綜采放頂煤技術(shù)開采，回采巷道沿9#煤層底板掘進(jìn)�；夭上锏纼蓚�(cè)為未受采動(dòng)的實(shí)體煤，巷道斷面設(shè)計(jì)為矩形斷面，斷面尺寸為3.5 mX2.6 m（寬×高）。
2地質(zhì)力學(xué)評估
(1)地應(yīng)力估算。根據(jù)1192工作面附近鉆孔可知，9#煤層的埋深在170～260 m之間，巖石平均容重2500 kg/m3，巷道的垂直應(yīng)力可估算為4.25～6.5M Pa，本文選擇垂直應(yīng)力6.5 M Pa進(jìn)行計(jì)算。
(2)煤巖層結(jié)構(gòu)及力學(xué)參數(shù)。由于煤層賦存條件復(fù)雜以及夾矸賦存不穩(wěn)定，回采巷道的頂板結(jié)構(gòu)有所變化。根據(jù)煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖和大巷資料揭露，該區(qū)域分成2類巖層結(jié)構(gòu)。
薄頂煤型即9#煤層薄，煤厚4.5 m，煤層上方依次為1.0 m粉砂巖夾矸、1.5 m厚8#煤層及12 m大青灰?guī)r，煤層下方依次為6m鋁土質(zhì)粉砂巖和10 m中細(xì)砂巖。
厚頂煤型即9#煤層厚，煤厚6 m，煤層上方依次為6m粉砂巖夾矸、1.5 m厚8#煤層及12 m大青灰?guī)r，煤層下方依次為6m鋁土質(zhì)粉砂巖和10 m中細(xì)砂巖。
根據(jù)建井地質(zhì)報(bào)告和礦方提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)資料，進(jìn)行整理歸納，巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。
3巷道圍巖塑性區(qū)分析
以1192工作面運(yùn)輸巷為工程背景建立FLAC3D模型，模型尺寸取50 m×35 m×2m（長×高×寬）。模型左右邊界約束x方向的位移，前后邊界約束y方向的位移，下邊界約束z方向的位移，上邊界施加6.5 M Pa的固定載荷即上覆巖層重量，側(cè)壓系數(shù)取1.2。數(shù)值計(jì)算采用莫爾一庫侖( Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則。
巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律會(huì)因圍巖結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生改變，由于煤層賦存條件復(fù)雜以及夾矸賦存不穩(wěn)定，1192運(yùn)輸巷頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，歸納成薄頂煤型和厚頂煤型兩類頂板結(jié)構(gòu)，利用FLAC3D模擬軟件分別計(jì)算兩類頂板結(jié)構(gòu)下運(yùn)輸巷圍巖塑性區(qū)的分布特征，見圖1。
從圖1 (a)可知，當(dāng)頂板為薄頂煤型時(shí)，巷道頂板塑性區(qū)呈矩形分布，塑性區(qū)高度為2m，兩幫塑性區(qū)呈矩形分布，塑性區(qū)深度為1.5 m，底板塑性區(qū)呈拱形分布，塑性區(qū)深度1 m。
從圖1 (b)可知，當(dāng)頂板為厚頂煤型時(shí)，巷道頂板塑性區(qū)類似矩形分布，塑性區(qū)高度為
2.5 m，與薄頂煤型相比，兩幫與底板塑性區(qū)分布規(guī)律不變。
巷道圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律會(huì)隨之發(fā)生變化，當(dāng)煤層厚度變大時(shí)，頂板圍巖破壞深度隨之增大，兩幫與底板圍巖破壞深度不變，頂板破壞深度最大值2.5 m，幫破壞深度最大值1.5 m。
4 支護(hù)參數(shù)研究
根據(jù)巷道圍巖破壞規(guī)律，按照最大塑性區(qū)范圍進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，采用錨桿一錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。結(jié)合塑性區(qū)范圍，根據(jù)懸吊理論計(jì)算錨桿錨索支護(hù)參數(shù)。
頂板支護(hù)參數(shù)。頂錨桿采用
22 mm×2400 mm的螺紋鋼錨桿，每排5根，排距700
mm，配合14 mm鋼筋焊接而成的梯子梁鋼帶，同時(shí)采用15. 24 mm×7000 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，每排2根，排距1400 mm，配合12#槽鋼鋼帶，托板為150 mm×200 mm×20 mm的鋼板，頂網(wǎng)使用6.5 mm鋼筋焊接而成的金屬網(wǎng)片。
幫支護(hù)參數(shù)。兩幫錨桿采用16 mm×2000 mm的圓鋼錨桿，每排4根，排距700 mm，
托板為鐵板，幫網(wǎng)與頂網(wǎng)相同。
基于厚頂煤型的FLAC3D模型，巷道開挖后，錨桿錨索支護(hù)后進(jìn)行運(yùn)算，得到1192運(yùn)輸巷塑性區(qū)及垂直位移云圖，見圖2。
由圖2 (a)分析可知，巷道支護(hù)后，圍巖塑性區(qū)變化不大，頂板錨桿能夠防止淺部離層及將淺部巖層組合成整體，頂錨索起懸吊作用，將2.5 m塑性區(qū)范圍的圍巖懸吊到穩(wěn)固巖層中；幫錨桿錨固在塑性區(qū)外部的穩(wěn)定煤層中，能夠起到較好的支護(hù)作用。由圖2 (b)分析可知，在距離頂板0～1 m范圍內(nèi)，巷道頂板最大位移為12 mm，頂板上方1～1.5 m內(nèi)位移10～12 mm，頂板上方1.5～2 m位移8～10 mm，頂板位移量較小。
5 工業(yè)性試驗(yàn)
現(xiàn)場監(jiān)測是檢查支護(hù)效果、判斷煤巷穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的手段，是支護(hù)設(shè)計(jì)方法的重要組成部分。因此，在1192運(yùn)輸巷進(jìn)行了煤幫松動(dòng)圈測試和表面位移監(jiān)測，檢驗(yàn)巷道支護(hù)參數(shù)是否安全可靠。
5.1 松動(dòng)圈測試
根據(jù)礦方施工條件，在1192運(yùn)輸巷30 m處（薄頂煤型）和60 m處（厚頂煤型）各布置1個(gè)松動(dòng)圈測站，分別為測站1、測站2，每個(gè)測站包括左幫和右?guī)?/font>2個(gè)測試孔，鉆孔方向垂直于煤幫，鉆孔直徑42 mm，孔深4m。測站布置如圖3所示，圖4為1192運(yùn)輸巷煤幫兩測站的聲波測試結(jié)果。
由圖4 (a)分析可知，左右?guī)兔后w內(nèi)波速隨孔深增加而逐漸增大，在距孔口0.6 m范圍內(nèi)波速較小，大于0.6 m的區(qū)域波速較大，表明距離孔口大于0.6 m的區(qū)域煤體較完整，沒有受到擾動(dòng)，而小于0.6 m的區(qū)域巖體已破壞，確定左右?guī)偷乃蓜?dòng)范圍為0.6 m。
由圖4 (b)分析可知，左右?guī)兔后w內(nèi)波速隨孔深增加而逐漸增大，在距孔口0.7 m范圍內(nèi)波速較小，大于0.7 m的區(qū)域波速較大，表明距離孔口大于0.7 m的區(qū)域煤體較完整，沒有受到擾動(dòng)，而小于0.7 m的區(qū)域巖體已破壞，確定左右?guī)偷乃蓜?dòng)范圍為0.7 m。
5.2 表面位移觀測
在距1192運(yùn)輸巷開口30 m和60 m處各布置1個(gè)表面位移觀測站，與松動(dòng)圈測站位置相同，見圖3，采用十字布點(diǎn)法，測量兩幫移近量和頂板下沉量，分析巷道的變形規(guī)律，見圖50測站1處兩幫移近量為65 mm，頂板移近量為75 mm。測站2處的兩幫移近量為66 mm，頂板移近量為73 mm。
通過松動(dòng)圈測試和表面位移觀測可得，煤幫松動(dòng)圈的范圍為0.6～0.7 m，破壞深度小，頂板和兩幫位移量為60～80 mm，巷道變形量小，研究提出的錨桿錨索支護(hù)參數(shù)較為合理，巷道基本能夠維持穩(wěn)定。通過比較測站1與測站2的數(shù)據(jù)可得，厚頂煤型的巷道圍巖破壞范圍稍大于薄頂煤型的破壞范圍，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。
6結(jié)論
(1)揭示了葛泉礦復(fù)雜頂板條件下巷道圍巖的破壞規(guī)律，通過FLAC3D模擬研究巷道開挖后圍巖塑性分布特征，圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律會(huì)隨之發(fā)生變化，當(dāng)煤層厚度變大時(shí)，頂板圍巖破壞深度隨之增大，兩幫與底板圍巖破壞深度不變，頂板破壞深度最大值2.5 m，幫破壞深度最大值1.5 m。
(2)通過分析圍巖破壞特征，結(jié)合懸吊理論，提出了合理的錨桿錨索支護(hù)參數(shù)，現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，煤幫松動(dòng)圈的范圍為0.6～0.7 m，頂板和兩幫位移量為60～80 mm，巷道變形量小，研究提出的錨桿錨索支護(hù)參數(shù)較為合理，基本能夠維持巷道穩(wěn)定。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也表明厚頂煤型的巷道圍巖破壞范圍稍大于薄頂煤型的破壞范圍，印證了數(shù)值模擬的結(jié)果。
