基于FLAC3D的煤巷支護方案優(yōu)化及應(yīng)用

王茂源 薛華俊 白曉生 梁圣華

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

基于FLAC3D的煤巷支護方案優(yōu)化及應(yīng)用

王茂源 薛華俊 白曉生 梁圣華

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）

以淮南礦業(yè)集團朱集礦1112（1）工作面軌道巷支護為背景，運用FLAC3D對煤巷錨桿支護進行模擬分析，提出多種支護方案。比較各種支護方案下巷道的頂板沉降、底臌及兩幫位移量，綜合考慮安全、支護成本、掘進進度等因素，得出一套符合煤礦生產(chǎn)實際的優(yōu)化支護方案。

巷道支護 FLAC3D 數(shù)值模擬 方案優(yōu)化

1 工程概況

淮南朱集礦是淮南礦業(yè)集團的第一個千米礦井，1112（1）工作面軌道巷位于東1采區(qū)，設(shè)計標(biāo)高為－927.341～－938.181m，屬深埋巷道。

掘進區(qū)段位于二疊系上統(tǒng)上石盒子組第三含煤段，開口距13－1煤層底板下67.5m，并揭開11－2煤層。主要巖性為泥巖、細(xì)砂巖，11－2煤層頂?shù)装宓哪鄮r中，發(fā)育大量的植物化石碎片，11－2煤層頂板厚層泥巖及砂巖交界面，發(fā)育有多層厚度0～0.3m不穩(wěn)定的煤線。煤的堅固性系數(shù)f＝0.43～0.87，掘進區(qū)段除煤層外無明顯標(biāo)志層。

該區(qū)段主要充水因素為煤層頂（底）板砂巖裂隙水。11－2煤層頂板發(fā)育多層砂巖，厚度一般在1.0～2.0m，老頂砂巖累厚6.6m；底板砂巖較發(fā)育，厚度一般在2.6～6.1m，砂巖總厚度可達13.4m，根據(jù)周邊井田對該含水層水文調(diào)查，巷道涌（突）水量為0～74.0m3／h，一般為0.5～4.5m3／h。

井田總體構(gòu)造形態(tài)為背斜，北部為朱集～唐集背斜，其南翼與潘集背斜北翼構(gòu)成較寬緩向斜，沿軸向有所起伏。掘進區(qū)段位于朱集～唐集背斜的南翼，總體為一寬緩的次生背斜，軸向走向大致為NNE向，煤（巖）層產(chǎn)狀210～220°，傾角2～5°。

2 模型建立及模擬支護方案

2.1 數(shù)值計算模型基本假設(shè)

為了方便研究，本文對模型做了簡化。將巖體看作是均質(zhì)和各向同性的介質(zhì)；巖體的節(jié)理、裂隙和軟弱結(jié)構(gòu)面等在空間分布上具有隨機性和不確定性，建模過程中忽略了結(jié)構(gòu)弱面及溫度等因素的影響，而用弱化相應(yīng)的巖體參數(shù)代替；由于礦山開采是一個動態(tài)變化的過程，所以時間也是影響巖體應(yīng)力變化的因素之一，而本文在模擬過程中則忽略了時間因素的影響；開挖過程對巷道的穩(wěn)定性影響是一個動態(tài)的過程，而本文對采礦過程進行了一次開挖簡化處理。

2.2 本構(gòu)模型和材料參數(shù)的選取

模型材料圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.3 邊界條件和初始條件

根據(jù)礦區(qū)開采引起的巖層移動規(guī)律和巖層移動角及對圍巖活動的認(rèn)識，建立模型。模型模擬范圍為50m×50m×45m，巷道開挖斷面寬5m、高3 m，為了盡可能反映出巷道巖層的力學(xué)特征采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，網(wǎng)格按巖層分區(qū)劃分，三維結(jié)構(gòu)模型單元55325個，節(jié)點60464個。對模型兩側(cè)進行x方向位移約束，對模型底部進行x、y、z方向位移約束，模型前后面進行y方向位移約束。模型上部邊界應(yīng)力施加相應(yīng)埋深的垂直荷載，x方向施加相應(yīng)的水平荷載，模型變形設(shè)置為大變形。

2.4 模擬方案

表2 三因素三水平正交試驗表

以朱集煤礦實測的巖層力學(xué)資料和原支護結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，考慮現(xiàn)場具體施工條件，根據(jù)工程類比法及現(xiàn)場經(jīng)驗，通過改變頂板、兩幫錨桿間距及錨索間距，從頂板、底板以及兩幫的圍巖變形情況來研究各個因素對控制巷道圍巖變形的作用。為了減少模擬次數(shù)，利用正交試驗法建立了9種模擬方案。試驗考慮的影響因素主要包括幫部與頂板錨桿數(shù)量、頂板錨索數(shù)量，每個影響因素分3個級別。通過查閱《常用正交試驗表》可得三因素三水平正交試驗表如表2所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 方案模擬結(jié)果

按照正交試驗表進行試驗共有9種試驗結(jié)果。由于篇幅所限，本文只分析試驗中具有比較典型的第1方案、第2方案、第5方案和第9方案。

在不同的工程地質(zhì)條件和開采條件下，錨桿支護參數(shù)對巷道支護效果的影響程度是不一樣的，巷道錨桿支護參數(shù)是否合理，最終依賴于錨桿的支護效果，其直接表現(xiàn)是巷道表面位移。因此，可以選擇巷道圍巖移近量作為數(shù)值模擬優(yōu)化錨桿支護參數(shù)試驗的考察目標(biāo)。

運用FLAC3D對未支護、方案1、方案2、方案5、方案9進行數(shù)值模擬，可得各情況下巷道頂板的下沉量分別為341mm、127mm、69mm、48 mm和45mm；底板位移分別為139mm、103 mm、59mm、37mm和34mm；兩幫移進量分別為59mm、51mm、35mm、18mm和16mm。

將對不同方案模擬的數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖1～圖3所示。

圖1 不同支護方案下的頂板沉降量

3.2 基于FLAC3D的方案模擬結(jié)果

（1）當(dāng)巷道不進行任何支護時，頂板下沉量、巷道底鼓量和兩幫移近量都很大，分別達到了341mm、139mm和59mm，巷道變形破壞嚴(yán)重。因此，必須采取合理有效的支護與加固措施，才能保證巷道的穩(wěn)定。

（2）對巷道采取初步支護方案1后，巷道的頂板下沉、底鼓和兩幫移近變形都得到一定控制，但巷道變形仍然很大，方案1的支護強度不夠。

（3）方案2增加錨索后，巷道的頂板位移、底板位移、兩幫位移比方案1分別減少了58mm、44mm、16mm，說明錨桿錨索聯(lián)合支護可以明顯改善支護效果。

（4）方案5增大錨桿密度后，巷道的頂板位移、底板位移、兩幫位移比方案2分別減少了21mm、22mm、17mm，說明增大支護強度可以減少巷道變形。

（5）方案9繼續(xù)增加錨桿密度后，頂板位移、底板位移、兩幫位移比方案5僅僅分別減少了3mm、3mm、2mm，對巷道圍巖變形控制的改善不是很明顯。

從節(jié)約巷道支護成本、提高巷道掘進速度以及保證巷道安全生產(chǎn)的角度考慮，支護方案5比較合適，而這也與該巷道最終的實際支護方案相符。最終該巷道采用錨梁網(wǎng)＋錨索的支護方案，頂板用?22mm×2800mm的左旋無縱筋超高強錨桿，間距750mm，排距700mm，兩幫用?22mm×2500 mm的高強錨桿，間距為700mm，排距700mm，錨索規(guī)格為?22mm×6300mm，間距為1000 mm，排距700mm。具體現(xiàn)場施工中1112（1）工作面軌道巷支護斷面圖如圖4所示。

圖4 1112（1）工作面軌道巷支護斷面圖

為分析支護后巷道變形情況，用十字測量法進行巷道斷面變形觀測。經(jīng)過20d，變形基本穩(wěn)定后觀測數(shù)據(jù)顯示，該巷道頂板沉降量為67mm，底臌為43mm，兩幫移進量為27mm，與模擬值相比變形量偏大，但巷道斷面總體變形不大，支護效果良好。

4 結(jié)論

（1）錨桿錨索的聯(lián)合支護比起只用錨桿支護可以更加有效地控制巷道圍巖變形。

（2）支護達到一定強度以后再增加支護強度對對巷道圍巖變形控制的改善不再很有效，要綜合考慮安全、支護成本、巷道掘進速度等因素提出切實適合該巷道的支護方案。

［1］ 楊昌斌，張勝云，徐江波.FLAC3D在隧道初期支護與原巖條件的“耦合”問題的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2004（5）

［2］ 何滿潮.軟巖巷道工程概論［M］.徐州，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1993

［3］ 林岱，楊溢，王從行.基于FLAC3D數(shù)值模擬一次采動巷道地壓顯現(xiàn)及圍巖破壞［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011（15）

［4］ 謝文兵，陳曉祥.采礦工程問題數(shù)值模擬研究與分析［M］.徐州，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005

［5］ 張勇，張江利，張西斌等.半煤巖巷道圍巖變形破壞分析及支護技術(shù)研究［J］.中國煤炭，2012（5）

Optimization and application of roadway support program based on FLAC3D

Wang Maoyuan，Xue Huajun，Bai Xiaosheng，Liang Shenghua
（School of Mechanics，Architecture and Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Taking the track roadway support in 1112（1）working face of Zhuji Mine of Huainan Mining Industry Group as the background，using FLAC3D，this paper has conducted a simulation analysis on roadway bolting support，and put forward a variety of support schemes.After comparing roadway roof subsidence，floor heave and two sides displacement in different schemes，and considering the safety，supporting cost，excavation progress and other factors，the paper has derived a set of optimal support scheme according with the actual condition of coal production.

roadway support，F(xiàn)ast Lagrangian Analysis of Continua in 3－dimentions，numerical simulation，scheme optimization

TD353

A

王茂源（1989－），男，安徽淮南人，碩士研究生，從事巷道支護專家系統(tǒng)方面研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）