千米深井软岩煤巷支护方式数值模拟研究

王 成,张念超,臧英新

(中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

千米深井软岩煤巷支护方式数值模拟研究

王 成,张念超,臧英新

(中国矿业大学矿业工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

采用数值模拟软件 FLAC5.0对淮南矿业集团朱集矿 -870m煤层回风大巷不同的支护方案进行了模拟,对比分析不同支护方案的围岩塑性区分布情况、围岩应力分布特征以及围岩变形特点,得出深井高应力巷道安全控制应以组合支护为主,并提出在巷道周边围岩构建闭式承载结构的思路,对深部巷道的围岩稳定性控制具有一定的指导意义。

深井软岩;煤层巷道;支护方式;数值模拟;闭式承载结构

随着煤炭需求量的不断增加,我国煤矿开采深度正在以 8～12m/a的速度继续增加[1],许多矿井陆续进入深部资源开采,如淮南、兖州、徐州、新汶等矿区开拓深度已经达到 800m水平,部分矿井深度延伸至 900～1000m,甚至超过 1000m[2]。矿井进入深部开采后,地质条件普遍复杂,地应力变大,岩层松散破碎、具有流变等特征[3-4]。淮南矿业集团朱集矿 -870m煤层回风大巷部分巷段位于13-1煤中,属于典型的深井高地压软岩巷道,论文以该巷道为例,开展数值模拟研究。

1 地质概况

淮南矿业集团朱集矿井田总体构造形态为一背、向斜,断层不甚发育,以边界断层及其附生断层为主,组合规律性较强;区内有岩浆岩侵入。13-1煤层全区均为气煤,赋存深度大多在 -810～-900m,其直接顶、底板均以泥岩为主,其次为粉砂岩和砂岩,地温较高。矿井涌水以裂隙充水为主,矿井的正常涌水量为 267m3/h,最大涌水量为387m3/h,太灰岩溶裂隙含水层的突水量为1152m3/h。

具体地质条件见图 1。

图1 岩层综合柱状图 (单位：m)

2 数值模拟研究

2.1 数值计算模型

根据朱集矿提供的现场地质资料和巷道矿压观测数据,模拟 -870m煤层回风大巷的围岩塑性区分布情况、围岩应力分布特征以及围岩变形特点,从弹性力学与塑性力学的计算角度考虑,模型尺寸应为工程尺寸的 3～5倍 (水平方向)、2～3倍(垂直方向),建立相应的分析模型。模型尺寸长×宽 =80m ×43m,巷道宽 ×高 =5.0m ×4.1m。模型的左、右及下边界均为位移固定约束边界,上边界为应力边界,按上覆岩层厚度施加均布载荷。围岩相关物理力学参数以 -870m煤层回风大巷为例,选取 “摩尔 -库伦”强度破坏准则[5]。

模型网格大小为 0.5m×0.5m,整个计算模型的网格数目为 140×61,共计 8540个网格。

2.2 模拟方案

根据朱集矿 -870m煤层回风大巷的岩层地质条件,巷道顶底板为砂质泥岩,抗压强度低,开挖后变形较大。因此,以高强锚杆为基础,以高预紧力为核心,使支护体与围岩形成协调统一的承载结构,有效调动围岩自身的承载能力[6-7],针对 -870m煤层回风大巷及底鼓控制提出如下模拟方案：

方案 1 单一架棚支护,U29型,见图 2(a)。

方案 2 锚杆索组合支护,锚杆长度为 2.8m,锚索长度为 6.3m,见图 2(b)。

方案 3 全断面锚杆索,锚杆长度为 2.8m,锚索长度为 6.3m,见图 2(c)。

方案 4 底板桁架锚固 +底板中间开槽加固底板,见图 2(d)。

图2 不同方案的支护形式

2.3 数值分析

原岩应力是引起围岩变形、破坏的基本作用力,随着开采深度的增加而增大。所以,随采深的增加,巷道围岩压力会明显增长,巷道矿压显现将更加剧烈。-870m煤层回风大巷埋深约 900m,其围岩强度较小,地应力高。

由图 3可以看出,巷道开挖后塑性区迅速向围岩深部扩展,发展范围较大,与此同时高应力不断向围岩深部转移,巷道浅部围岩承载能力急剧下降,采用单一架棚的被动方案 1无法控制巷道围岩压力,巷道收敛非常严重,以两帮变形和底鼓为主。该方案两帮变形量为 1062.3mm,顶底板为943.3mm(见表 1)。巷道底板变形非常强烈,在巷道底板和两帮底脚均发生破坏。

图3 单一架棚支护 (方案 1)

表1 方案 1和方案 2的巷道四周变形

因此,-870 m煤层回风大巷必须采用积极主动的高强度的支护形式,才能对巷道进行长期有效地控制,特别是位于构造影响区域的巷段。

由图 4可知,采用锚索对巷道顶板和两帮关键部位进行加强,与锚杆共同作用,围岩塑性区有了明显的改善,由围岩深部向巷道围岩浅部收缩,顶板的塑性区明显比单一架棚或锚杆少;高应力由深部向浅部转移,浅部围岩应力均有不同程度的上升,提高了浅部围岩的承载能力。顶板锚杆和锚索

通过较高的预应力作用于顶板,使顶板形成了预应力承载梁结构,抗剪强度和抗变形能力大大提高,并有效的向巷道两帮深部分解应力,同时底脚锚索将巷道两帮锚固在巷道底板较稳定的岩层,在两帮和底板形成一个相对的封闭挤压区域。锚杆索充分调动了主次承载区 (深部围岩和浅部围岩)自身的承载能力,优化了围岩的应力场,巷道的顶板下沉、两帮移近量都明显下降,分别为175.2mm和 468.8mm,巷道底鼓也有所缓解,为452.7mm,但是仍然比较严重。

图4 锚杆索组合支护 (方案 2)

图5 全断面锚杆索支护 (方案 3)

由于 -870m煤层回风大巷服务年限较长,围岩的塑性变形和黏性流变较大 (尤其是松软破碎的围岩),巷道要经受长期较大的蠕变和流变,如果开放的底板得不到有效治理,将加剧巷道的蠕变和流变变形,最终导致锚杆索失效,巷道失稳破坏。因此,必须对巷道底鼓进行强有力的控制,限制巷道的蠕变和流变。

分析图 5、图 6和表 2可得,采用全断面锚杆索、底板锚索梁和底板中间开槽加固底板的支护形式,在巷道周边能形成一个完全的封闭挤压区域,这一封闭挤压区域的整体承载能力大大增强,巷道的整体稳定性提高,不仅使巷道围岩塑性区进一步减小,在巷道底板出现小范围的弹性区,还优化了围岩应力场,使高应力继续向巷道周边转移,同时,控制围岩效果显著,两方案围岩变形均较小。

表2 方案 3和方案 4的巷道四周变形

3 结论

(1)对于深井高应力煤层巷道,围岩塑性区发展迅速,单纯依靠架棚或锚杆支护,均无法适应深井全断面来压的应力环境,必须采用高强度支护形式及时主动控制围岩变形。锚索在控制围岩变形中起到了关键作用,调动了主次承载区自身的承载能力,对优化调整围岩应力场及整体支护结构的形成起到至关重要的作用。

(2)松散破碎围岩体可锚性差,巷道围岩长期蠕变和流变易导致锚杆支护失效,因此,深部巷道以组合支护为主,在锚杆索支护的基础上采用其他有效支护形式进行补强,如架设 U型棚,才能保障巷道的安全,满足矿井安全生产要求。

(3)深井高应力巷道在底板开放时,巷道底鼓变形都很严重,导致围岩结构失稳,因此必须在巷道周边围岩构建一个完全封闭的挤压区域即闭式承载结构,才能从根本上控制巷道围岩变形,维护巷道的长期稳定。

图6 底板锚索梁 +底板中间开槽加固底板 (方案 4)

[1]何满潮,谢和平,彭苏萍,等 .深部开采岩体力学研究[J].岩土力学与工程学报,2005,24(16)：2804-2812.

[2]李海燕,刘端举,孙庆国,等 .千米深井软岩巷道破坏机理及支护技术研究 [J].山东大学学报,2009,39(4).

[3]蔡美峰,何满潮,刘东燕 .岩石力学与工程 [M].北京：科学出版社,2002.

[4]陈炎光,陆士良,徐永圻 .中国煤矿巷道围岩控制 [M].徐州：中国矿业大学出版社,1994.

[5]刘 波,韩彦辉 .FLAC原理、实例与应用指南 [M].北京：人民交通出版社,2005.

[6]张 农,高明仕 .煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用 [J].中国矿业大学学报,2004,33(5).

[7]张 农,王 成,高明仕,等 .淮南矿区深部煤巷支护难度分级及控制对策 [J].岩土力学与工程学报,2009,28(12)：2421-2428.

[责任编辑：林 健 ]

Numerical Simulation of Supporting Coal Roadway Surrounded by Soft Rock i n 1000m Deep Mine

WANG Cheng,ZHANG Nian-chao,ZANG Ying-xin
(State Key Laboratory of Coal Resources&Safety Mining,Mining Engineering School,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

Applying numerical software FLAC5.0 to simulating different supporting projects of air-roadway at-870m in Zhuji Colliery of Huainan Mining Group,plastic area distribution,stress distribution and deformation characteristic of surrounding rock under different supporting projects was analyzed.Results showed that deep roadway with high-stress should be controlled by combined supporting.A concept of constructing closed loading structure in surrounding rock of roadway was put forward,which could provide reference for roadway stability control.

soft rock in deep mine;coal roadway;supporting manner;closed loading structure;numerical simulation

TD353

A

1006-6225(2011)01-0048-04

2010-09-25

“十一五”国家科技支撑计划 (2007BAK28B04);国家自然科学基金青年科学基金资助项目 (50904064);中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题 (SKLCRS M09X03);煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目 (08KF10);中国矿业大学青年科研基金资助项目 (2008A004)。

王 成 (1984-),男,安徽含山人,博士研究生,从事煤矿巷道围岩控制方面的研究。