大断面巷道变形破坏特征及支护设计应用
2024-03-30石新禹
石新禹
(陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿,陕西 延安 727307)
0 引言
我国煤炭生产多采用井工开采,巷道总量长约3 万公里,采准巷道和回采巷道占80%以上,因此,巷道支护成为煤炭开采中的一项重要研究内容。近些年来,由于巷道掘进技术更新、工作面综合机械化程度不断提高,大断面巷道随之增多,支护难度相应提升[1]。
国外学者针对大断面巷道支护问题主要从围岩力学参数测试、锚杆支护理论、锚杆施工机具研发、锚杆支护监测仪器等方面展开研究,重点采用高强度、高可靠性锚杆对巷道进行支护[2-3]。国内学者在21 世纪后巷道支护技术的迅速发展基础上,提出了多种锚杆支护理论、动态性系统性锚杆支护方法、高强度树脂锚固锚杆支护系统等支护体系,研发了掘- 支一体化施工装备,顶板离层仪、锚杆(索) 测力计等支护监测仪器,极大发展完善了我国大断面巷道支护理论与技术[4-5]。但伴随矿井采掘技术的不断更新,快速掘进下大断面巷道支护仍面临许多难题。本文以黄陵矿业一号煤矿1010 回风平巷为工程背景,采用数值模拟与理论计算相结合的方法,分析大断面巷道变形特征,确定合理的支护方案,为矿井安全高效开采提供保障。
1 概况
黄陵矿业一号煤矿隶属于陕煤集团黄陵矿业集团有限公司,现主要开采2 号煤层,倾角1°~5°,平均厚度2.5 m,具有沥青光泽,条带状、线理状结构,层状、块状构造,结构简单,属于稳定煤层。煤层直接顶主要为粉砂岩和泥岩,平均厚度为6.6 m,基本顶为细粒砂岩、中粒砂岩和砂质泥岩,平均厚度10.8 m。底板为泥岩、细粒砂岩,平均厚度8.0 m。煤岩层柱状图如图1 所示。
图1 煤岩柱状图Fig.1 Coal rock histogram
1010 回风平巷位于十盘区中部,南邻1009 回风顺槽(已掘进到位),北为1011 回风顺槽(未掘进),东接北一进风大巷,西邻六盘区。巷道设计长度3 159.7 m,断面宽度5.2 m,高度3.0 m,面积为15.6 m2。
2 大断面巷道变形破坏特征
2.1 模型建立
为了研究1010 大断面回风巷道变形破坏特征,根据地质资料及煤岩层物理力学参数(表1),利用三维有限差分软件FLAC3D 建立三维数值模型,对巷道围岩的位移场、应力场及破坏场进行数值模拟研究。模型尺寸为:宽X×厚Y×高Z=60 m×5 m×65 m,巷道掘进方向沿Y 轴正方向,采用Mohr-Coulomb 本构模型,打开模型大变形特征,固定模型底部,上部施加覆岩等效载荷,模型侧面限制水平移动,整个模型由53 480 个单元组成,包括60 324 个节点。建立的数值模型如图2 所示。
表1 煤岩物理力学参数Table 1 Physical mechanical parameters of coal rock
图2 数值模型Fig.2 Numerical model
2.2 模拟结果分析
2.2.1 无支护条件下巷道位移分布特征
图3 为回风巷道在无支护条件下围岩位移分布特征云图。由图3 可以看出,巷道围岩受开采扰动作用发生移动变形,顶板处位移变化明显,发生大变形区域较大,位移等值线沿巷道中心线呈对称拱形状分布,最大位移量为0.13 m。巷道两帮处产生较明显变形,最大位移量为0.09 m。巷道底板处发生变形区域较小,且位移值较小,最大位移量为0.05 m。说明无支护条件下,巷道围岩变形特征表现出:顶板>两帮>底板,即巷道顶板和两帮是支护的关键部位。
图3 无支护条件下围岩位移分布特征Fig.3 Displacement distribution characteristics of surrounding rock without support
2.2.2 无支护条件下巷道应力分布特征
图4 为回风巷道在无支护条件下围岩垂直应力与剪切应力分布特征云图。由图4(a) 可以看出巷道开挖后,原岩应力平衡状态破坏并进行重新分布。以巷道中心线为轴线,覆岩应力分别向巷道两侧煤壁传递转移,巷道的应力集中区域主要集中在巷道顶底板及两帮区域,两帮应力集中深度达6.4 m,最大垂直应力集中值为10.4 MPa。由图4(b)可以看出在巷道肩角和底角处形成剪应力集中区,最大剪应力值为2.4 MPa,即巷道顶底角位置易发生剪切破坏,需增加其抗剪切作用能力。
图4 无支护条件下围岩应力分布特征Fig.4 Stress distribution characteristics of surrounding rock without support
2.2.3 无支护条件下巷道塑性区分布特征
图5 为回风巷道在无支护条件下围岩塑性区分布特征云图。由图5 可以看出,巷道围岩塑性区呈“蝶形”分布,巷道肩角、底角处主要发生剪切破坏,肩角处塑性破坏高度向上延伸至4.4 m,底角处塑性破坏向下延伸深度相对较小,大小为3.5 m。巷道顶底板主要发生拉伸破坏,且顶板塑性破坏的范围较底板大,其塑性破坏高度为3.0 m。
图5 无支护条件下围岩塑性区分布特征Fig.5 Distribution characteristics of plastic zone of surrounding rock without support
3 巷道支护设计
3.1 围岩类别判定
由极限平衡法计算巷道极限平衡深度△和周边位移μ,可得:
式中:R为极限平衡区半径;R0为巷道理论半径,取2.74 m;γH为自重应力,取6.25 MPa;Pi为支护阻力,可以忽略,取0;C为岩石内聚力,取3.1 MPa;φ为岩石内摩擦角,取30°;K1为采动影响系数,取1.6;K2为煤岩体力学参数修正系数,取1/2.5。
可得R=4.6 m,则极限平衡深度△=R-R0=1.86 m。
式中:μ 为巷道周边位移,m;G为剪切模量,取371 MPa。
可得μ=0.351 m。
通过与巷道围岩分类及支护设计参考表比较,其中△=1.86 m>1.5 m,μ=351 mm>300 mm,则1010 回风巷道围岩属于III1类。
3.2 支护参数设计
根据支护设计参考表,III1类围岩推荐锚网梁+锚索组合支护方式,结合数值分析结果,选取左旋螺纹钢锚杆+金属网+金属梁+锚索支护方式。
3.2.1 锚杆设计参数
(1) 锚杆长度L。
锚杆长度根据式(3) 计算:
式中:L1为锚杆锚固段长度,取0.6 m;△为极限平衡区深入围岩深度,1.86 m;L3为锚杆外露长度,取0.1 m。
可得锚杆长度L=2.46 m,取2.5 m。
(2) 锚杆直径D。
式中:T为锚杆拉拔力,40 ~100 kN;[σ]为杆体材料的许用强度,取340 MPa。
可得锚杆直径D=12 ~20 mm,取20 mm。
(3) 锚杆间排距ɑ、b。
式中:S为单个锚杆支护面积,m2;qd为需支护加固最大荷载密度,取165 kN/m2。
可得S=0.448 9 m,则锚杆间排距a×b=0.6 m×0.8 m。
(4) 锚固长度L2。
式中:P为锚杆载荷,取100 kN;dy为钻孔直径,取28 mm;πy为锚固剂与煤体的黏结强度,取1 MPa。
可得锚固长度L2=1.13 m,取1.2 m。
由数值计算分析可知,巷道顶板塑性破坏范围为3.0 ~4.4 m,锚杆难以有效支护,需增加锚索保证巷道稳定性。
3.2.2 锚索设计参数
(1) 锚索长度X。
式中:X1为锚索外露长度,取0.3 m;X2为围岩塑性破坏深度,取4.4 m;X3为锚索的锚固长度,取1.8 m。
可得锚索长度X=6.5 m。
(2) 锚索排距M。
式中:n为每排锚索个数,取2 ~3;Y1为锚索的屈服载荷,取221.5 kN;B为巷道宽度,取5.2 m;γ 为煤或岩石的体积质量,取13 kN/m3;φ为内摩擦角,取30°。
可得锚索排距M=0.8 m。
综合以上计算研究,选取锚杆材质为20 Mnsi的左旋无纵筋螺纹钢,选用7 股5 mm 高强度刚绞线为锚索,配用10 号铁丝加工的50 mm×50 mm的菱形金属网,以及钢筋直径14 mm 的托梁。
3.3 支护后巷道稳定性分析
3.3.1 支护后巷道位移特征
由图6 可以看出,回风巷道支护后,巷道顶板最大位移值为0.037 m,顶板下沉趋势明显减小,巷道位移变形区域均集中在永久支护控制范围内,因此可推断,锚杆(索) 支护有效控制了围岩移动变形。巷道两帮位移减小0.05 m,底板位移减小0.03 m,推测锚杆支护增加了煤帮强度,帮部变形量明显得到有效控制,且由于实施锚杆支护,应力集中区域逐渐向煤帮深部转移,浅部围岩得到有效控制,削弱了巷道底板受煤帮变形产生的挤压应力,减小了巷道底鼓量。
图6 支护后围岩位移分布特征Fig.6 Displacement distribution characteristics of surrounding rock after support
3.3.2 支护后巷道应力特征
由图7(a) 可以看出,巷道支护后,顶底板垂直应力释放区范围明显减小,两帮垂直应力集中区向煤壁靠近,最大垂直应力值增至15.9 MPa,其由于支护后巷道顶板应力拱跨度减小,拱脚向煤壁靠近,同时应力拱承载载荷增加,使应力集中区的集中应力值增加。图7(b) 可以看出,在巷道肩角与底角处形成的剪应力集中区范围减小,在锚杆支护作用下剪应力值较支护前有所增加,即该区域岩体抗剪切能力增强。
图7 支护后围岩应力分布特征Fig.7 Stress distribution characteristics of surrounding rock after support
3.3.3 支护后巷道围岩塑性破坏特征
由图8 可知,巷道支护后塑性破坏区范围明显减小,巷道肩角、底角处剪切破坏区域大幅缩减,顶板塑性区最大破坏高度缩小至2.5 m,底板基本未发生塑性破坏。说明锚网索有效控制了顶板下沉,限制了两帮变形,制止了底鼓发生。
图8 支护后围岩塑性区分布特征Fig.8 Distribution characteristics of plastic zone of surrounding rock after support
4 现场巷道支护施工要求
4.1 锚杆支护施工安全规定
(1) 特殊地点采用特殊支护及加强支护措施时,其支护范围应延伸至巷道正常段起点以外5 ~10 m。
(2) 锚杆支护长距离独头施工时,应实施中间贯通,以改善通风、运输条件,并提高抗灾变的能力。
(3) 对锚杆支护巷道应进行定期检查。对顶板、煤帮失效锚杆应及时补打,对松动的螺母及时紧固。
4.2 锚索支护施工一般要求
(1) 技术要求。锚索孔深误差控制在±30 mm;锚索外露长度控制在(200±20) mm;锚索安装48 h 后,如发现预紧力下降,必须及时补拉;张拉发现锚固不合格锚索,立即在其附近补打合格锚索。
(2) 施工安全措施。锚索要随打随安装,但可把当班安装的锚索集中一次进行张拉;禁止在锚索、锚杆上系导链、滑轮起吊大件。
5 结论
(1) 大断面巷道未支护条件下,顶板处位移变化明显,发生大变形区域较大,巷道围岩位移特征表现出:顶板>两帮>底板;巷道肩角和底角处形成剪应力集中区,易发生剪切破坏;围岩塑性区呈“蝶形”分布,顶底板主要发生拉伸破坏,四角处发生剪切破坏,塑性破坏范围较大,需进行支护设计。
(2) 根据极限平衡理论确定巷道围岩为III1类,结合数值分析结果,选取左旋螺纹钢锚杆+金属网+金属梁+锚索支护方式,通过理论计算得出锚杆(索) 具体设计参数。
(3) 大断面巷道支护后顶板下沉量大幅降低,两帮、底板位移量减小;巷道肩角和底角处剪应力集中区范围减小,围岩塑性破坏区域缩减。即锚杆、锚索有效防治了岩层变形破坏,控制了顶板下沉,限制了两帮变形,制止了底鼓发生。