沁裕矿+900m水平井底车场支护技术模拟研究

2021-09-17宋俊青

西部探矿工程 2021年7期

宋俊青

（山西兰花沁裕煤矿有限公司，山西晋城048212）

井底车场作为连接井下运输作业和井筒提升的“咽喉”要道，对现代化矿井的安全生产起着关键的作用[1-2]。如何提高巷道围岩强度以抵抗邻近硐室引起的剧烈扰动，是矿山企业安全生产工作亟待解决的一大难题[3]。本文以沁裕煤矿+900m水平井底车场工程为研究背景，利用FLAC 3D软件，通过数值模拟的方法，确定合理的井底车场巷道支护方案。

1 工程背景

1.1 矿井背景

山西兰花沁裕煤矿有限公司位于山西省晋城市所辖的沁水县城西南19km处，行政区划属沁水县土沃乡管辖。经过勘查，井田内含煤地层总厚为130.44m，含煤10层，煤层总厚度为7.34m，含煤系数5.63%。

1.2 井底车场概况

沁裕煤矿井底车场线路由进出车线、材料车线、人车线组成，副井系统硐室布置有等候室、变电所、排水泵房、物品库等硐室。服务年限长，应选择在比较稳定和坚硬的岩（煤）层中。为了更好地选择井底车场落底层位，按照井检孔揭露的各地层水文地质、工程地质条件，结合主井装载水平与井底车场的关系。

2 数值模拟

2.1 巷道概况

沁裕煤矿+900m水平井底车场巷道断面形状均采用半圆拱断面，巷净宽5000mm，净高4100mm，净断面17.8m2，掘进宽5240mm，掘进高4420mm，掘进断面20.2m2。

2.2 物理模型的建立

为了研究巷道在未进行支护工作前围岩变形规律及特征，本次模拟将引入专业岩土分析软件FLAC 3D，对沁裕煤矿+900m水平井底车场巷道进行数值模拟的分析。

将岩体假定为静水应力下的均质体，模型尺寸按实际等比缩小，共建立22350个网格单元，对模型内部X、Y、Z方向分别初始化15MPa的静水应力，网格划分如图1所示。

图1 井底车场计算模型

2.3 支护前模拟

图2 为FLAC3D为井底车场巷道支护前围岩稳定性的模拟结果。如图2（a）所示，巷道围岩并不稳定，在未进行支护时，塑性区顶板分布范围为2100mm，底板则较大于顶板，为2400mm，可以看出，巷道上部与下部主要受到拉伸破坏和剪切破坏的影响，两边地脚位置则主要受到剪切破坏影响较大。

图2 巷道模拟结果（支护前）

图2 （b）和（c）分别为包括水平位移和垂直位移在内的巷道总位移的模拟图以及在剪切应力影响下，应力的分布情况。可以看出，未进行支护时巷道的最大移近量为165mm。此时应力集中区域与巷道表面相距较远，且随着塑性区的发育，巷道围岩破坏程度趋于严重。

2.4 支护方案的确定

根据沁裕煤矿地质条件与开采技术，并结合数值模拟结果进行分析，最终对井底车场巷道采用联合支护的方式进行巷道顶底板的控制。其中，顶部均采用锚杆、金属网、锚索并喷射混凝土联合支护；两帮采用锚杆、金属网并喷射混凝土联合支护。具体支护参数为：

（1）锚杆方面：

锚杆规格：断面一拱锚杆、帮锚杆均为∅20mm×2300mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，断面二拱锚杆、帮锚杆均为∅20mm×2100mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，上述锚杆钻孔直径均为28mm。

拱锚杆：锚杆间、排距为800mm，每排布置11根拱锚杆，锚杆锚固力不应小于50kN。

帮锚杆：锚杆间、排距为800mm，每排布置4根帮锚杆，锚杆锚固力不应小于50kN。

（2）锚索方面：

锚索规格：采用∅17.8mm钢铰线，井底车场巷道锚索排列方式为矩形排列。锚索长度取6.5m，锚深为6.2m。为确保锚索的锚固强度，锚索长度要根据顶板岩性情况确定，但锚索必须锚至稳定的顶板岩层中不小于1.5m。

（3）金属网方面：网片采用钢筋网，每片长2.0m，宽1.0m，网格100mm×100mm，钢筋直径4mm。顶部和两帮应全部铺设钢筋网。联网间距不大于300mm，网与网应采用搭接方式，搭接长度不小于100mm。

（4）喷射混凝土方面：喷射混凝土厚度：断面一喷层厚度取120mm，断面二喷层厚度取100mm。喷射混凝土的材料及配合比：喷射混凝土要求凝结硬化快、早期强度高，故应优先选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，水泥标号不得低于425号。为了保证混凝土强度和凝结速度，不得使用受潮或过期结块的水泥。喷射混凝土与岩石粘结力（抗拉）不得小于5kg/cm2。

2.5 支护后数据

图3 为FLAC3D为井底车场巷道支护后围岩稳定性的模拟结果。如图3（a）所示，在拉伸破坏方面，除了拱基线处与底臌处存在有轻微破坏以外，表面大部区域破坏范围大幅缩减；同时，存在于巷道底角位置的剪切破坏也有所缓解。除此之外，由于锚杆在支护过程中，发挥着组合拱和悬吊双重作用，从而可以确保整个塑性区在锚杆有效长度所控制的范围内。