软岩巷道围岩控制数值模拟

2016-06-02付义胜

现代矿业 2016年1期

关键词：软岩喷浆塑性

付义胜　镐　振

(1.河南能源化工集团焦煤公司中马村矿；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院；3.河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿)

软岩巷道围岩控制数值模拟

付义胜1镐振2，3

(1.河南能源化工集团焦煤公司中马村矿；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院；3.河南能源化工集团焦煤公司赵固二矿)

摘要赵固二矿软岩巷道变形严重，采用数值模拟软件FLAC3D,对工钢棚+喷浆+注浆支护下的巷道围岩应力、位移特征和塑性区范围进行了计算分析。结果表明，随着侧压系数地增大，围岩位移、应力和塑性区范围都有增大的趋势，且塑性区由巷道两帮向顶底板转移。现场试验结果表明，采用工钢棚+喷浆+注浆支护，巷道两帮移近量和顶板下沉量分别为145和112 mm，围岩控制效果较好，为类似条件下的巷道支护提供了参考依据。

关键词巷道支护数值模拟软岩

随着新能源的不断开发和利用，以及国家对能源消耗政策的调整，在一次能源中，煤炭消费比重将会逐年下降，但是其主导地位仍不能动摇。据预测，在未来50 a内，我国能源的一次消费和生产以煤炭为主的格局不会改变。近年来，随着矿井开采深度的增大，巷道围岩所承受的压力也越来越大，许多原来软岩较少的矿区(如平顶山、焦作、徐州等)的部分巷道也呈现出软岩特征[1]。软岩巷道以其高地压、大变形、难支护的特点，已成为地下工程中的难题之一，受到了地下工程及国际岩石力学界的关注。目前，国内外普遍采用增加支护强度的方式减少巷道围岩变形，如增大锚杆(索)密度，锚网索与刚性支架联合支护等，但效果并不理想[2]。

岩石的流变特性是软岩巷道变形破坏的原因之一[3]。工程实践表明，在软岩巷道开挖以后，短时间内巷道围岩不会发生变形，但是在高应力作用下，巷道围岩会表现出显著的流变特性，使得巷道围岩在较长时间的变形后发生破坏，具有较为明显的时效性[4-6]。许多地质现象(如断裂、褶皱等)表明地壳中存在水平应力[7]，在19世纪20年代，我国地质学家李四光曾指出:在构造应力仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的作用远远超过垂直应力分量[8]。本文针对赵固二矿Ⅰ盘区上段胶带运输大巷一次锚网索支护后巷道变形严重的问题，采用数值模拟软件FLAC3D，分析了工钢棚+全断面喷浆+注浆支护巷道围岩的应力、位移特征和塑性区范围。现场试验结果表明，采用该支护方式的巷道围岩控制效果较好，为类似条件下的巷道支护提供了参考依据。

1工程背景

赵固二矿位于焦作煤田东部，矿井于2007年1月9日开工建设，2011年4月23日正式投产。主采二1煤，煤层倾角多在6°以内，煤层平均厚度 5.6 m。矿井设计生产能力为1.80 Mt/a。Ⅰ盘区上段胶带运输大巷担负着该区东部通风、煤炭运输等任务，埋深约700 m，巷道顶底板岩性特征见图1。巷道沿煤层顶板掘进，掘宽×掘高=5 800 mm×3 700 mm，一次支护采用锚网索支护，该巷道掘进后，两帮收敛、顶板下沉、底鼓现象严重，巷道最小高度仅约2.1 m。为确保安全生产，对该巷道架设工钢棚后进行全断面喷浆、注浆支护。

图1　巷道顶底板地质柱状图

2数值模拟

2.1模型建立

由于本次模拟是以软岩为特征的地质模型，在考虑了煤岩层的层状特征以及岩石进入塑性屈服阶段以后，岩体的各项参数将会发生变化，因此采用了基于弹塑性理论的Mohr-Coulomb模型，该模型能够反映岩土材料抗压强度不同的S-D效应以及对正应力的敏感性。模型为大应变变形，巷道开挖空间采用零模型(model null)模拟。巷道沿煤层顶板掘进，顶板主要为泥岩、中粒砂岩，底板主要为泥岩和砂质泥岩(图1)。为简化计算，在数值模拟中，以厚度较大的岩层作为模拟对象，把厚度较小且岩性接近的岩层划归为同一岩层。

地质网格模型见图2。计算模型断面尺寸：宽×高×厚=20 m×20 m×1 m。二1煤层埋深约700 m，上覆岩层容重取25 kN/m3，因此施加在模型上边界的应力以垂直应力为主，为17.5 MPa；水平方向上的边界限制x方向的位移，底部为固定约束，无位移。

研究了巷道在工钢棚+注浆二次支护、侧压系数λ为1.0，2.2条件下的围岩位移、应力分布特征及塑性区的大小。

图2　地质网格模型

2.2数值模拟结果分析2.2.1侧压系数λ=1.0，2.2

侧压系数λ为1.0，2.2时，巷道围岩位移应力分布及塑性区特征见图3、图4。

图3　λ=1.0时巷道围岩位移、应力、塑性区

图4　λ=2.2时巷道围岩位移、应力、塑性区

2.2.2不同侧压系数时围岩位移及应力对比

不同侧压系数时围岩位移、应力变化见表1。

由表1可以看出，随着侧压系数的变大，工钢棚+注浆支护巷道围岩位移及围岩应力都有增大的趋势。垂直应力集中在巷道两帮1～5 m处，最大应力集中系数为3.5，巷道围岩塑性区范围随侧压系数的增大，由巷道两帮向巷道顶底板转移。从以上分析可以看出，工钢棚+注浆支护可以有效控制巷道围岩变形。

表1　不同测压系数时巷道围岩位移、应力大小对比

3现场应用

3.1支护参数

(1)锚杆规格为φ20 mm×2 400 mm，间排距800 mm×800 mm，顶部锚杆锚固长度不小于1 000 mm(2350型树脂锚固剂2卷)，托盘为δ10 mm×150 mm×150 mm，与长度为5 560 mm的钢筋梯配合使用。帮部锚杆托盘为W型钢带，与规格为δ10 mm×150 mm×150 mm托盘配合使用。钢筋梯宽度为95 mm，采用φ14 mm的圆钢制作，排距为800 mm。

(2)槽钢梁锚索规格为φ21.6 mm×8250 mm，间排距为1 600 mm×1 600 mm，锚固长度不低于2 000 mm (2350型树脂锚固剂4卷)，采用长5 100 mm的16#槽钢梁与δ12 mm×120×120 mm和δ12 mm×80 mm×80 mm 钢板配合使用。

(3)点锚索规格为φ21.6 mm×8 250 mm，间排距1 600 mm×1 600 mm，锚固长度不小于2 000 mm(2350型树脂锚固剂4卷)，采用全U蝶形托盘和δ12 mm×150 mm×150 mm钢板配合使用。

(4)金属网片用φ6 mm钢筋焊接，网幅900 mm×1 700 mm。施工时网片搭接100 mm，使用14#电镀锌丝绑扎牢固，顶部网片搭接处四角绑扎，帮部对角绑扎。

架设工钢棚后进行全断面喷浆，喷射混凝土强度不低于C25，喷浆厚度不低于120 mm，洒水养护7 d 后进行注浆，注浆顺序为由下至上，即底角、两帮、两肩、顶板，注浆终压不低于3 MPa。巷道支护断面如图5所示。