紫晟煤业总回风巷断面优化设计研究

杨小兵

(霍州煤电集团有限责任公司 丰峪煤业有限责任公司,山西 霍州 031400)

煤矿开采过程中,各类巷道的稳定性及其安全控制问题一直都是矿井安全生产的薄弱之处[1-3],尤其对于开拓类巷道,巷道断面大、长度长、服务年限长,受地质条件多变的影响而支护方式复杂,各种问题层出不穷,尤其是巷道断面形状的选择,不仅对巷道整体稳定性起绝对作用,而且还将影响合理支护方式的选择[4-8]。目前,国内学者针对深部高地应力、“三软”煤层、冲击地压等诸多复杂情况下巷道断面稳定问题进行了卓有成效的研究,为本文的研究提供了坚实的理论基础[9-13]。紫晟煤业总回风巷沿底掘破顶施工,煤层薄、巷道高,巷道围岩软硬性质差异较大,且服务年限长、通风要求高,对大断面总回风巷稳定性及支护控制的要求很高,因此研究其断面布置形式及相应的支护技术,具有重要的现实工程应用价值。

1 工程背景

紫晟煤业隶属于霍州煤电集团有限责任公司,地面标高600 m～556 m,矿井总回风巷标高260 m～170 m,黄土覆盖厚度为41 m～80 m,基岩平均厚度为230 m。巷道直接顶板为泥岩,厚7.0 m～18.0 m;基本顶为细砂岩,厚2.4 m;直接底为泥岩,厚6.0 m～8.8 m;基本底为中粒砂岩,厚3.5 m～4.0 m。总回风巷道所处位置煤岩层综合柱状图见图1。

图1 巷道综合柱状Fig.1 Stratum histogram of roadway

总回风巷西部为1999年采空区,距离采空区45 m～75 m,涌水量15 m3/h,东部为落差30 m断层及2000年、2005年采空区,距采空区40 m～45 m,涌水量较小;上覆各砂岩层含水层赋存有裂隙水,但含水性微弱;下覆奥灰岩溶水富水性强,属于带压开采区域。紫晟煤业2#煤层为瓦斯煤层,具有煤尘爆炸性。

2 总回风巷道的断面优化设计选择

2.1 断面优化设计

为探究紫晟煤业总回风巷道的最优断面形式,采用FLAC3D软件进行不同断面形状的数值仿真模拟,进而分析掘进与回采影响时总回风巷的变形和塑性区的分布状况,以此确定巷道的最优断面形式。设计巷道断面有斜梯形巷道、半圆拱形巷道和圆形巷道三种形式,巷道布置在煤层中,破顶掘进,其横向尺寸为5.1 m,纵向尺寸为5.0 m。数值模型如图2所示,煤岩物理力学参数如表1所示。

图2 FLAC3D三维数值模拟模型Fig.2 FLAC3Dnumerical simulation model

表1 巷道煤岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock in roadway

本模型左右及下边界固定,在模型上表面施加7.5 MPa的荷载,模拟紫晟煤业总回风巷上方300 m的岩体自重的作用。工程岩体的物理力学计算参数按照相邻矿井参数进行赋值。模拟过程中岩石采用Mohr-Coulomb破坏准则,深入揭示不同断面巷道在掘进条件下围岩变形特征及围岩塑性区分布规律。

2.2 数值模拟结果及分析

2.2.1巷道围岩变形特征

在巷道模型中沿着巷道顶板、底板与帮部方向分布设置了长度100 m的4条监测线(两帮各一条),在顶、底板监测线上均匀布置了20个监测点,在帮部监测上均匀布置了40个监测点,不同断面形状巷道围岩变形监测线上的监测数据如图3所示。

图3 不同断面形状巷道围岩位移变化曲线Fig.3 Displacement curve of surrounding rock under different sections

根据图3可知,斜梯形巷道两帮位移均高于圆形巷道及半圆拱形巷道两帮位移,这主要由于随着掘进面的推进,巷道及围岩受偏心压力作用,而斜梯形巷道受偏心压力影响较大,主要由两帮承压,两帮和底角容易剪切破坏,导致位移较大。总体来看,圆形巷道、斜梯形巷道、半圆拱形巷道3种巷道围岩表面位移的分布规律基本一致。斜梯形断面顶、底板及两帮变形量均大于圆形巷道及半圆拱形巷道,其中以巷道底鼓量与两帮变形量较为明显。

2.2.2巷道围岩塑性区分布

巷道开挖后引起巷道围岩应力重新分布,并且巷道围岩应力分布不均匀,应力不断从巷道周边向围岩深部转移,不同断面形状巷道围岩塑性区分布如图4所示。

图4 不同断面形状巷道围岩塑性区分布Fig.4 Plastic zone distribution of surrounding rocks with different sections

由图4可知,圆形巷道、半圆拱形巷道、斜梯形巷道3种巷道左右两帮塑性区发育均为4 m ～5 m,底部塑性区发育分别为3.5 m、4.0 m和5.0 m,顶部塑性区的分布基本一致。在自重应力的作用下,巷道围岩的破坏首先从巷道的帮角、底角等关键部位开始,先在巷道顶、底板及两帮中先产生局部的剪切破坏带,然后局部剪切破坏带相互连接、贯通,逐渐形成区域范围较大的塑性破坏损伤区。巷道围岩的破坏以剪切破坏为主,随着巷道断面形状越光滑,巷道围岩的拉伸屈服区域逐渐减少,直至消失。此外,在自重应力的作用下,巷道围岩底板的塑性破坏区范围略大于巷道围岩两帮的塑性破坏区范围,而三种断面巷道的顶板塑性区均较小。梯形巷道塑性区范围较大,半圆拱形巷道、圆形巷道塑性区范围相对较小,并且分布较为均匀。由“等效开挖”理论[14-15]知,可将3种巷道围岩塑性区划分成“无效加固区”,这部分不具备承载能力但必须支护,如图5所示。

图5 不同断面巷道“无效加固区”大小Fig.5 Invalid reinforcement area size in different section roadways

整体来看,在同种地质条件下,不同断面形状巷道围岩位移及塑性区的分布规律基本一致,但是也有一定的区别。圆形巷道和半圆拱形巷道变形特征、塑性区大小基本趋于一致,且优于斜梯形巷道。此外,由“等效开挖”理论知,巷道断面开挖后,斜梯形巷道其无效加固区范围较大,容易受压破坏。

2.2.3不同支护方案数值比较分析

为验证不同支护方案对总回风巷支护效果的差异性,以半圆拱巷道为基础,设计五种不同巷道支护方案,具体参数如表2所示。

表2 不同支护方案设计Table 2 Supporting designs

其中帮锚杆参数保持不变,顶锚杆与锚索分别在锚杆型号、间排距、锚固深度方面进行区别。计算结束后,巷道围岩变形量分别监测顶板向上4 m内的顶板下沉量和巷道帮部向煤体深部4 m内的水平变形量,如图6所示。

6-a 顶板下沉量

6-b 巷道变形量图6 不同支护方案巷道变形监测数据Fig.6 Deformation monitoring data with different supporting plans

根据不同方案的模型巷道围岩变形监测值可知,巷道顶板位置处的顶板下沉量最大值为方案五时的197 mm,其次是方案三的185 mm、方案二的169 mm、方案四的156 mm和方案一的148 mm,随着顶板监测位置的升高,不同方案下的顶板下沉量呈现大致相同规律的较小,在巷道顶板4 m位置处,顶板下沉量最小值为方案一的38 mm;巷道帮部的水平变形量反映了帮部煤体向内挤压变形的严重程度,巷帮位置处的水平位移最大值为方案二的145 mm,其次为方案五的140 mm、方案四的136 mm、方案三的132 mm和方案一的121 mm,随着监测位置向煤体深部的延伸,水平位移变化量整体呈现减小趋势,整体来看,方案一的变化最为稳定。

3 总回风巷支护及变形监测

按照数值模拟研究可知,总回风巷的断面选择为半圆拱形断面,紫晟煤业采用该断面掘进,毛宽5.3 m、净宽5.1 m,毛高5.05 m、净高4.95 m,设计支护断面如图7所示。

图7 巷道断面支护布置及参数Fig.7 Supporting layout and parameters for roadway sections

支护采用锚喷支护,拱部锚杆全采用Φ22 mm×2 500 mm左旋螺纹钢高强锚杆,每排11根,排间距为700 mm×700 mm,每孔Z2388和CK2360树脂锚固剂各1卷,选用2根3.5 m的桁架搭接施工;墙部锚杆采用Φ20 mm×2 000 mm左旋螺纹钢高强锚杆,每排每帮4根,排间距为700 mm×700 mm,每孔Z2388树脂锚固剂1卷,选用2.8 m的桁架,墙部最下一根锚杆角度与巷帮为74°;锚索规格为Φ17.8 mm×8 500 mm钢绞线,每孔Z2388树脂锚固剂3卷;锚索每排3根,排间距为2.1 m×1.6 m；全断面铺设长×宽=2 m×0.9 m的钢筋网,钢筋网孔规格为长×宽=70 mm×70 mm,联网丝采用16#镀锌铁丝,喷浆厚度为100 mm。

为探究巷道断面及支护形式的有效性,在巷道围岩内布置测站监测变形情况。巷道表面位移监测采用“十字布点法”,利用钢卷尺或测枪进行监测。测站的监测周期为3周,在断面支护完成后进行,其顶板下沉量与两帮收敛量如图8所示。

从图8可知,总回风巷完成支护后,在3周内,顶板下沉速率逐渐降低,下沉量基本维持在200 mm,两帮收敛量基本维持在150 mm,整体而言,巷道围岩变形速率呈收敛状态,说明总回风巷道断面选择和支护设计是合理的。

8-a 顶板下沉量

8-b 两帮收敛量图8 监测数据图Fig.8 Monitoring data

4 结论

1)根据数值模拟结果,圆形巷道最为稳定、无效加固区最小,斜梯形巷道围岩效果最差,但圆形巷道施工较复杂,实际施工中应兼顾经济性和安全性选择半圆拱形断面。

2)紫晟煤业总回风巷施工选择半圆拱形巷道加锚喷支护方式,围岩变形监测显示围岩变形速率逐渐减小,巷道稳定性得到了有效控制。