软岩大巷断面形式选择及支护参数研究

李宏斌贺瑞彬王德雪李 臣（.内蒙古伊泰煤炭股份有限公司,内蒙古自治区鄂尔多斯市,07000; .中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,北京市海淀区,00083）



软岩大巷断面形式选择及支护参数研究

李宏斌1贺瑞彬2王德雪1李 臣2
（1.内蒙古伊泰煤炭股份有限公司,内蒙古自治区鄂尔多斯市,017000; 2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083）

摘要塔拉壕煤矿2＃煤层西翼辅运大巷埋深134 m,顶板为泥岩和粉砂岩,岩性较弱,巷道支护困难。通过数值模拟对比矩形断面巷道与直墙拱形断面巷道的顶板破坏范围及特点,确定西翼辅运大巷采用矩形断面,给出了巷道的合理支护参数。

关键词软岩巷道 断面形式 数值模拟 巷道支护 支护参数

软岩巷道支护一直是我国煤矿开采中的一个难题,对于这一难题的研究,我国已发展了多种理论。伴随这些理论,涌现了大量计算方法,如有限单元法、离散元法、边界元法、有限差分法等。近些年,FLAC、UDEC、RFPA、ADINA等数值模拟软件相继问世,为解决地下工程支护问题提供了良好的途径。本文运用FLAC数值模拟确定塔拉壕煤矿2＃煤层西翼辅运大巷的断面形式与支护参数,为其他类似条件煤矿的大巷支护提供示例。

1　地质概况

塔拉壕煤矿隶属于内蒙古伊泰集团,地处内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区境内。井田为西南倾向单斜构造,煤层倾角小于5°,埋深100～350 m。2＃煤层西翼辅运大巷布置在煤层中,沿煤层自西向东掘进,巷道埋深134 m。辅运大巷位于侏罗系中－下统延安组内,岩性主要由一套浅灰、灰白色各粒级的砂岩及灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩和煤层组成,发育有水平纹理及波状层理。辅运大巷直接顶为泥岩,平均厚度4.46 m,含丰富植物化石碎片,岩性较弱;直接顶之上为粉砂岩,平均厚度6.94 m,岩性以石英长石为主,含暗色岩屑及煤屑,半坚硬;直接底为砂质泥岩,平均厚度8.82 m,含丰富植物化石碎片及少量煤屑,半坚硬。总的来说,2＃煤层西翼辅运大巷顶底板条件较差,岩石自然状态下抗压强度在0.4～16.3MPa之间,属于软岩巷道。

2　辅运大巷断面形式选择

一直以来,科研人员对巷道支护方式及支护参数的选取、优化分析较多,而对巷道断面形式的选取、优化考虑较少,但巷道断面形式直接影响巷道围岩塑性区分布,塑性区分布又对支护方式的选取及支护效果的好坏有重要影响,因此,合理地选择巷道断面形式往往可以起到事半功倍的效果。下面结合塔拉壕煤矿2＃煤层西翼辅运大巷的地质特点,在数值模拟的基础上,比较直墙拱形巷道与矩形巷道的优劣,选取合理的断面形式。

2.1巷道围岩塑性区分布

通过运用FLAC数值模拟分析直墙拱形巷道和矩形巷道开挖后的塑性区破坏范围。以2＃煤层西翼辅运大巷为计算模型,巷道埋深134 m,煤厚2.5 m。煤层上方岩层依次为泥岩厚度约4.5 m,粉砂岩厚度约7.0 m,细粒砂岩厚度约8.0 m。煤层下方岩层依次为砂质泥岩厚度约9 m,粉砂岩厚度约11 m。拱形巷道宽5.5 m,直墙高1.5 m,拱高3.0 m;矩形巷道宽5.5 m,高4.0 m。模型长46 m,宽10 m,高42 m。模型块体的本构关系采用摩尔－库仑准则。边界条件为四周铰支,底部固支,上部为自由边界。煤岩体物理力学参数见表1。

表1　煤岩体物理力学参数

模拟矩形巷道与拱形巷道开挖后的围岩塑性区破坏范围如图1所示。

图1　矩形巷道与拱形巷道围岩塑性区分布图

从图1可看出,开挖后拱形巷道的顶板塑性区破坏范围要小些,其顶板塑性区范围为0～2 m,而矩形巷道为0～3 m。同时拱形巷道顶板塑性区范围同断面形式相吻合,说明顶板受力均匀,稳定性高。两种巷道帮部塑性区破坏范围基本相同,为0～2 m。拱形巷道底板塑性区破坏范围要稍大于矩形巷道。

2.2巷道围岩主应力分布

根据莫尔－库仑剪切破坏准则,围岩所受主应力与发生剪切破坏有紧密联系,它从根本上决定了巷道围岩剪切破坏的范围大小。因此,为深入分析巷道围岩主应力分布规律,在巷道断面模型中,沿垂直于巷道顶板、帮部及底板方向分别设置一条15 m长的监测线,每条监测线均匀布置15个监测点。由于建立的模型左右对称,其两帮所受主应力基本相同,故帮部仅监测右帮。综合处理每条监测线的记录数据,结果如图2所示。

由图2（a）可看出矩形巷道在至顶板0～11 m范围内,围岩所受最大主应力基本维持在4 MPa左后,接着迅速增加,在12 m处达到峰值约5 MPa,之后最大主应力缓慢降低;拱形巷道在至顶板0～9 m范围内最大主应力从2 MPa缓慢增加至峰值5 MPa,之后逐渐降低。由图2（b）可看出矩形巷道与拱形巷道至帮部15 m范围内最大主应力变化趋势一样,均是先增大后减小,且峰值均约为6 MPa,但矩形巷道峰值出现在至巷道帮部5 m处,拱形巷道在3 m处。由图2（c）可看出矩形巷道与拱形巷道至底板15 m范围内最大主应力大小及变化趋势几乎一样。综合分析可得出矩形巷道顶板及帮部围岩所受最大主应力的大小及范围均大于拱形巷道,受力状态稍差。

图2　矩形巷道与拱形巷道围岩主应力分布图

2.3巷道围岩位移特征

为了深入分析巷道围岩的变形特征,在两种巷道围岩位移矢量图中,沿垂直于巷道顶板、帮部及底板方向分别设置一条10 m长的监测线,每条监测线均匀布置10个监测点,由于巷道模型左右对称,帮部依然只监测右帮。综合处理各条监测线的记录数据,结果如图3所示。

图3　矩形巷道与拱形巷道围岩位移图

从图3可得出两种巷道围岩位移量均随着至巷道表面距离的增加而减小,当距离增加到一定程度时,围岩位移量几乎为零。由图3（a）可看出矩形巷道顶板位移量在0～7 m范围内大于拱形巷道,之后两者位移量基本相同,均小于30 mm。由图3（b）和（c）可看出矩形巷道和拱形巷道帮部与底板围岩位移量基本相同。

2.4巷道断面形式选择

综合上述模拟结果分析可得出,直墙拱形巷道的顶板塑性区范围要小于矩形巷道,但底板塑性区范围稍大,两者帮部塑性区范围基本相同;直墙拱形巷道的顶板及帮部围岩最大主应力大小及范围要小于矩形巷道,两者底板受力几乎相同;直墙拱形巷道的顶板围岩位移量小于矩形巷道,帮部及底板位移量无明显差别。从这些结论可判定在浅埋软岩中布置大巷,直墙拱形断面形式的受力状态及稳定性要优于矩形断面形式,但差别不大。在满足安全和使用要求的条件下,巷道断面的选择要遵循断面利用率高、造价低、便于快速施工的原则。在实际工程实践中,直墙拱形巷道由于上部拱掘进困难,支护工程难度大,导致掘进速度较慢,且工程成本及人工成本较高;而矩形巷道由于成形规整,因此施工工艺简单,施工速度快,成本低,且巷道断面利用率高。从施工工艺复杂程度、施工速度及经济成本来说,矩形巷道要优越得多。因此塔拉壕煤矿2＃煤层西翼辅运大巷最终选用矩形断面形式。

3　巷道支护参数选取

巷道开挖后,围岩应力重新分布,在进行人工支护之前,顶板围岩会因为应力超过自身强度而产生变形破坏,破裂严重的围岩失去层间联系因重力作用而发生垮落,其范围类似一个拱形,称之为冒落拱。冒落拱的高度即为巷道顶板在自然条件下的破坏深度,锚杆（索）的作用就是将冒落拱内围岩悬吊在上部稳定岩层中,锚杆（索）所需要提供的承载力要大于冒落拱内围岩的重量。根据冒落拱理论计算得出2＃煤层西翼辅运大巷的支护参数如下:

（1）顶板采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆,规格为ø20 mm×2300 mm,每排7根,间排距为800 mm ×800 mm,锚杆锚固长度不小于1000 mm,锚固力不小于100 k N,扭矩力不低于200 N·m。

（2）顶板锚索规格为ø17.8 mm×6300 mm, 2－2布置,间排距2000 mm×2400 mm,锚索锚固长度不小于2000 mm,预紧力不低于200 k N,锚固力不小于280 k N。

运用FLAC数值模拟软件,在模拟矩形巷道开挖后塑性区破坏范围的基础上布置锚杆与锚索,当应力重新达到平衡时,模拟结果如图4所示。

图4　支护条件下矩形巷道围岩塑性区分布图

将图4与图1（b）比较可知,布置锚杆与锚索后,巷道顶板围岩塑性区范围明显缩小,由支护前的0～3 m缩小到0～2 m,剪切破坏区域也减少,说明锚杆锚索能显著改善顶板岩体的力学性能,此时锚杆锚索完全能将顶板浅部围岩锚固在深部稳定岩层中,能满足巷道安全使用的需要。

4　支护效果监测

塔拉壕煤矿2＃煤层西翼辅运大巷掘进期间采用了上述的锚杆锚索支护参数。为验证支护参数的合理性,在距巷道口500～800 m处进行了工业性试验,其中600 m与750 m处顶板较其他地方更加破碎,下沉量大,因此特选取这两处安装机械式深基点位移计,监测顶板在大巷掘进期间的位移量。根据实测数据,绘制成如图5所示的顶板垂直位移曲线图。

从图5可看出,0～5 d内600 m与750 m处的巷道顶板均未出现下沉。5～30 d内顶板垂直位移缓慢增加,两处垂直位移量均很小,基本在5 mm以内。600 m处巷道顶板垂直位移量在30～60 d内快速增大,在60 d时接近25 mm;60 ～80 d内位移量基本稳定在25 mm左右。在30～52 d内750 m处巷道顶板垂直位移量迅速增大, 在52 d时接近20 mm;52～80 d内位移量基本稳定在20 mm左右,稍有增加。从数据可看出回采期间辅运大巷600 m与750 m处顶板下沉量均不大,说明锚杆锚索支护起到了很好的效果,可以保证巷道安全。

图5　辅运大巷600 m与750 m处顶板垂直位移曲线图

5　结论

（1）通过分析数值模拟结果得出,在浅埋软岩中布置辅运大巷,大巷采用直墙拱形断面形式时受力状态及稳定性要优于矩形断面形式,但优势不明显,而矩形断面巷道施工工艺简单、施工速度快、成本低,在支护得当的情况下能满足巷道安全使用的要求,因此塔拉壕煤矿2＃煤层西翼辅运大巷选取矩形断面形式。

（2）通过实际布置深基点位移计监测大巷在掘进期间的顶板下沉量,得出2＃煤层西翼辅运大巷在600 m处顶板垂直位移量最终稳定在25 mm左右,750 m处顶板垂直位移量最终稳定在20 mm左右,顶板下沉量均不大,说明辅运大巷采用矩形断面形式和上述支护参数能满足安全使用的需要。

参考文献:

［1］李桂臣,张农,王成等.高地应力巷道断面形状优化数值模拟研究［J］.中国矿业大学学报,2010 （5）

［2］靖洪文,李元海.软岩工程支护理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社,2008

［3］王子越,孙维顺,汤梁.受高水平构造应力影响的软岩巷道支护技术研究［J］.中国煤炭,2015 （12）

［4］王克义.红一煤矿巷道断面形状选择及围岩控制技术研究［J］.煤炭技术,2015（6）

［5］钱鸣高,何富连,缪协兴.采场围岩控制的回顾与发展［J］.煤炭科学技术,1996（1）

［6］康红普,王金华,林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析［J］.岩石力学与工程学报,2010（4）

［7］林天舒,刘绍兴,王茂源等.基于O型拱联合支护的软岩巷道围岩控制技术研究［J］.中国煤炭, 2015（11）

（责任编辑张毅玲）

Research on cross-section form selection and supporting parameters of soft rock main roadway

Li Hongbin1,He Ruibin2,Wang Dexue1,Li Chen2
（1.Inner Mongolia Yitai Coal Co.,Ltd.,Ordos,Inner Mongolia 017000,China; 2.School of Resources&Safety Engineering,China University of Mining& Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China）

AbstractThe buried depth of the auxiliary transport roadway in the west of No.2 seam in Talahao Coal Mine was 134 m,and the roof was composed of mudstone and siltstone,whose lithology was weak,and the roadway supporting was difficult. The roof destruction range and characteristics of rectangular cross-section roadway and those of arched cross-section roadway with vertical walls were compared by numerical simulation,which selected the rectangular crosssection as the cross-section form of the auxiliary transport roadway,and the reasonable supporting parameters of the roadway were worked out.

Key wordssoft rock roadway,cross-section form,numerical simulation,roadway support, supporting parameters

作者简介:李宏斌（1972－）,男,陕西省渭南市大荔县人,工程师,现任内蒙古伊泰煤炭股份有限公司塔拉壕煤矿总工程师,1994年从阜新矿业学院毕业后一直从事煤矿开采、矿井建设技术研究等工作。

中图分类号TD353

文献标识码A