千米深井底板支护参数优化及数值模拟研究

吕继民段江维乔卫国林登阁程少北

(1.宝钢集团有限公司,上海市虹口区,200080; 2.冀中能源峰峰集团九龙煤矿,河北省邯郸市,056500; 3.山东科技大学,山东省青岛市,266590)

千米深井底板支护参数优化及数值模拟研究

吕继民1段江维2乔卫国3林登阁3程少北3

(1.宝钢集团有限公司,上海市虹口区,200080; 2.冀中能源峰峰集团九龙煤矿,河北省邯郸市,056500; 3.山东科技大学,山东省青岛市,266590)

针对冀中能源峰峰集团磁西一号矿井副井马头门工程地质条件,借助有限差分软件FLAC3D对底板锚索束支护长度进行了数值模拟;通过比较不同长度锚索束支护下巷道底板围岩塑性区分布和底鼓量,实现了底板锚索束支护的参数优化;现场工程实践证明,优化后的锚索束支护参数不仅具有较好的成本优势,还可以有效控制底板塑性区向深部发展,抑制底鼓变形。

千米深井 巷道支护 底板支护 锚索束 参数优化 数值模拟

1 工程概况

冀中能源峰峰集团磁西一号矿井位于河北省邯郸市峰峰矿区东部,行政区划隶属磁县和峰峰矿区管辖。磁西一号矿井设计产能为1.8 Mt/a,矿井采用立井开拓方式,设主井、副井及风井3口井筒。副井井筒的净直径为8.0 m,埋深超千米。副井和风井位于同一工业场地,距离主井工业场地2.8 km。副井马头门开口处净宽7 m,净高6 m,进车方向长度57 m,距井筒10 m左右设有液压站室2个,对称布置,30 m左右设有拉紧装置硐室。副井马头门开口处掘进宽度8.2 m,掘进高度6.6 m,摇台位置可高达9 m。区内主要含煤地层为太原组和山西组,含煤地层总厚度平均为183.49 m,共含煤13～18层,煤层平均总厚17.39 m。

2 深井马头门稳定性分析

2.1 深井围岩稳定影响因素

影响深井马头门巷道变形的因素很多,如围岩岩石物理力学特性、矿物组成、岩体结构和地质构造、温度、水等。而支护结构、施工工艺及质量等也是影响巷道稳定的因素。磁西一号井副井马头门巷道围岩稳定性的主要影响因素包括深部构造应力、地下水、高地温等。

(1)构造应力的影响。磁西一号井副井马头门巷道围岩处于垂直应力、构造应力、动压等相互构成的复杂的应力场中。随着开采深度的增加,巷道围岩受到上覆岩层的自重应力也越来越大,深部软岩本身的承载能力较差,一旦巷道支护体系破坏失效,巷道变形急剧加速;在地质构造活动强烈地区,残余构造应力更大,水平应力往往大于垂直应力,形成高水平地应力,这些都增加了副井马头门巷道地压显现及围岩破坏的剧烈程度,给围岩稳定性控制带来了很大的困难。

副井马头门位于断层CF16和断层CF17形成的地堑中部,受两大断层构造影响,深部围岩的破坏速度更快、破坏程度更为严重、破坏区域更大,加大了深部马头门巷道的支护难度。

(2)地下水对岩体稳定性影响。磁西一号井是一座富水矿井,水对马头门附近岩体及支护稳定性的影响是非常明显的。研究证明,含水量对沉积岩强度和变形特性的影响十分显著,对于泥岩和石英砂岩,从干燥到饱和,单轴抗压强度有50%的损失。另外,深井软岩遇水发生膨胀变形,由此产生的膨胀性变形压力是软岩巷道支护破坏的重要原因。

(3)温度应力的影响。磁西一号井副井埋深1340 m,深部地温达到30～50℃。岩体在此种超出常温的环境下,往往会出现大的位移和变形,还具有明显的流变特征,温度在其中起着重要的作用。温度每变化1℃可以产生0.4～0.5 MPa的地应力变化,温度升高所产生的地应力变化对岩体的力学性质将产生较大影响。

目前,国内支护理念尚停留在传统支护理论上,未能形成新的支护理论。巷道底板处于敞开状态,不重视加强巷道底板支护,支护材料选择不恰当也是很多深井巷道破坏的主要原因。

2.2 深井围岩弹塑性变形

深井围岩处于三向压缩状态,随着巷道的开挖卸载,围岩由三向受力转变为两向受力,围岩应力重分布,二次应力增加到一定值时,围岩将产生弹塑性变形。基于莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)准则,结合深井岩体力学弹塑性基本理论,可求解出轴对称圆形巷道洞壁位移:

式中:ur——巷道洞壁径向位移;

μ——泊松比;

E——弹性模量;

c——粘聚力;

φ——内摩擦角;

P0——围岩初始应力,其值为γH;

γ——围岩重度;

H——埋深;

P1——支护抗力;

R0——巷道等效圆半径;

RP——塑性区半径。

分析上述两式可以看出,巷道围岩支护抗力受周边位移的影响,而支护抗力主要通过锚杆锚索(束)等支护结构提供;随着围岩的不断变形,围岩集聚的部分弹性能得以释放,支护结构提供的抗力相应减小;锚杆锚索(束)等支护结构可以限制围岩的变形,防止围岩体完全破裂,实现了围岩与支护体共同承载。结合现场监控测量,可以实现对支护结构参数的优化设计。

3 参数优化数值模拟

3.1 数值模型建立

模型岩层划分与巷道所处的实际岩层相一致,各岩层为均质、各向同性。为消除边界效应,建立模拟区域的范围为50 m×50 m×40 m,共有96400个单元和108405个节点;模型侧面限制水平移动,模型下部为x、y、z三方向铰支,固定不动;在模型上表面施加33.8 MPa的垂直应力,模拟上覆岩层的自重。数值模拟参数见表1。

模拟方案为顶帮支护参数及底板锚杆参数固定,顶帮锚杆采用规格ø22 mm×2400 mm高强预应力锚杆,间排距700 mm×700 mm;锚索采用规格ø22 mm×10000 mm高强锚索,间排距1400 mm×1400 mm;注浆锚杆规格为ø20 mm×2200 mm,间排距1400 mm×1400 mm;底板锚杆采用规格为ø22 mm×2400 mm的高强预应力树脂锚杆,间排距为700mm×700 mm;底板注浆锚杆规格为ø20 mm×1600 mm,间排距1400 mm×1400 mm。分别模拟锚索束长度为8 m、9 m、10 m、11 m、12 m时对底板底鼓的支护效果,以确定锚索束的最佳支护长度。

表1 数值模拟参数表

3.2 模拟结果分析

为更好反映工程实际情况,本模型及支护结构体系的力学参数赋值均严格按照实际数值选择。模拟分析比较了不同锚索束长度下围岩塑性区分布情况,并在底板中点处设立监测点,监测巷道底鼓变形情况,开挖不支护情况及锚索束长度分别为10 m、12 m时的围岩塑性区分布如图1所示,不同锚索束长度时底鼓量监测曲线如图2所示。

图1 不同工况下围岩塑性区分布图

图2 不同锚索束长度时底鼓量监测曲线

由图1和图2可知,锚索束长度为10 m、 12 m的条件下,巷道底鼓量分别为38.5 mm、24.3 mm,与不支护情况下的底鼓量879.3 mm相比,降低幅度分别为96.0%、97.2%。模拟结果表明,锚索束能有效控制底板围岩塑性区的发展,抑制底鼓变形。当锚索束长度从10 m增大到12 m时,底鼓量和围岩塑性区分部范围减小幅度不太明显,从安全经济考虑,确定底板锚索束最佳支护长度为10 m。

4 底板优化支护方案

通过数值模拟参数优化设计,并借鉴国内外其它深井马头门支护工程实践经验,马头门初步设计采用锚网索喷一次支护,钢筋砼砌碹二次支护,底板采用锚索束加强支护。马头门巷道断面(距离井筒中心线7.134 m)优化支护结构如图3所示,两帮支护结构对称布置。

(1)顶帮支护。顶帮锚杆采用高强预应力树脂锚杆,设计锚固力150 t,预应力5 t,树脂锚杆之间采用ø20 mm钢筋梯连接;注浆锚杆与树脂锚杆隔排插空布置(根据矿压观测情况确定锚注时间)。顶帮锚索设计锚固力35 t,预应力20 t,锚索之间采用GDⅡ140/20T型钢带连接。顶帮锚杆、锚索和底板锚杆规格见3.1节。

(2)采用C20喷射混凝土,喷射厚度为150 mm。

(3)金属网采用ø6.5 mm钢筋编制而成的钢筋网,钢筋网规格为100 mm×100 mm。

(4)底板支护参数。底板锚杆采用高强预应力树脂锚杆,以GDⅡ140/20T型钢带连成整体;底板注浆锚杆与树脂锚杆隔排插空布置成梅花型。底板锚索束考虑到底板锚索施工可行性,采用底板大孔径锚索束防止底鼓。锚索束由3根ø22 mm× 10000 mm高强钢绞线组合而成,每断面2根锚索束,间排距2800 mm×2800 mm。锚索束设计锚固力105 t,每根钢绞线预应力20 t,总预应力60 t。锚索束之间放置2根9＃矿用工字钢焊接钢梁。锚索束外径60 mm,锚索孔直径90 mm。采用普通水泥浆液注浆,注浆压力1.5 MPa,终压2.5 MPa。

图3 马头门断面巷道支护结构图

5 现场监测

为验证优化支护结构的支护效果,在马头门附近试验段巷道共设置了3个监测断面,测点布置在巷道底板中央位置,累计监测4个月后底鼓变形基本稳定,监测曲线见图4。

图4 马头门巷道底板平均底鼓量监测曲线

图4显示底板在支护后的20 d内变形较快, 20～70 d底鼓变形速率减缓;累计监测120 d后,底板底鼓变形趋于稳定,累计底鼓量为19.5 mm,在合理的变形范围内。通过现场观测,马头门巷道围岩处于稳定状态,无明显裂缝产生,优化参数达到了预期的支护效果。

6 结论

借鉴国内外其他深井马头门的工程实践经验,通过FLAC3D数值模拟对千米深井底板支护参数进行优化,并结合现场工业试验进行验证。工程实践证明优化支护结构可有效控制底板塑性区向深部发展,抑制底鼓变形,维护副井马头门巷道围岩的稳定性;优化后的锚索束支护参数具有较好的成本优势,不仅节省材料自身成本,而且减少钻孔和注浆成本。

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(责任编辑 张毅玲)

Research on optimization and numerical simulation of floor support parameters of kilometer deep shaft

Lv Jimin1,Duan Jiangwei2,Qiao Weiguo3,Lin Dengge3,Cheng Shaobei3
(1.Baosteel Group Co.,Ltd.,Hongkou,Shanghai 200080,China; 2.Jiulong Coal Mine of Jizhong Energy Fengfeng Group Co.,Ltd.,Handan,Hebei 056500,China; 3.Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong,266590,China)

According to the engineering geological condition of the auxiliary shaft horsehead door in Cixi No.1 mine of Jizhong Energy Fengfeng Group,a numerical simulation was conducted by the finite difference software of FLAC3D for the length of anchor cable ties.By comparing the plastic zone distribution and floor heave amount under conditions of different length of anchor cable ties,support parameters of anchor cable ties were optimized.The field engineering practice had proved that the optimized support parameters not only had better cost advantage,but also effectively controlled the floor plastic zone developing to deep rock and restrained the floor heave.

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TD 353

A

吕继民(1963－),男,高级工程师,曾长期从事煤矿设计研究工作,现为宝钢集团有限公司总经理。