淺析數(shù)值模擬在煤礦巷道支護設計中的應用①

王軍

摘 要：本文從數(shù)值模擬在煤礦支護設計中的應用出發(fā)，闡述了數(shù)值模擬的計算方法和步驟，并對紅石灣煤礦巷道支護設計進行了數(shù)值模擬，對巷道支護的效果進行了對比分析。

關鍵詞：巷道支護 計算方法 數(shù)值模擬 應用

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0127-02

通過數(shù)值模擬法進行錨桿支護的設計隨著在采礦工程中大量應用數(shù)值計算方法也得到了快速的發(fā)展。數(shù)值模擬法比其他設計法擁有多方面的優(yōu)點，例如可以模擬各種復雜的圍巖條件、邊界條件或者斷面形狀巷道的應力場和位移場；可以進行多方案的快速比較來分析影響巷道支護效果的各種攻因素；擁有更直觀、形象的模擬結果，方便分析處理等優(yōu)點。美國，英國和澳大利亞等錨桿支護技術先進的國家已經(jīng)對數(shù)值模擬法進行了廣泛的應用。

1 數(shù)值模擬計算方法

有限元、離散元或者有限差等數(shù)值方法已經(jīng)隨著計算技術的快速發(fā)展廣泛運用與巷道支護設計。非圓形、非均質(zhì)、復雜邊界條件的巷道支護設計方面已經(jīng)體現(xiàn)出了這些計算方法較大的優(yōu)越性，并且可以從同時進行的方案中比較選出更合理的方案。

目前應用比較廣泛的FLAC軟件，可模擬土、巖石等材料的力學行為。它采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術，使該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動和破壞。FLAC采用顯式解法，可模擬任意非線性力學問題，適用于模擬連續(xù)介質(zhì)非線性、大變形問題。

2 數(shù)值模擬步驟

采用數(shù)值模擬方法進行錨桿支護設計一般按以下步驟進行。

2.1 確定巷道的位置與布置方向

巷道位置與布置方向一般根據(jù)礦體條件、區(qū)段劃分、采場布置等因素確定。如果能考慮地應力對巷道穩(wěn)定性的影響，將十分有利于巷道維護；一方面，盡量將巷道布置在比較穩(wěn)定的巖體中和應力降低區(qū)；另一方面，應將巷道布置在受力狀態(tài)有利的方向。如當巷道軸線與最大水平主應力平行，巷道受水平應力的影響最小，有利于圍巖穩(wěn)定；當巷道軸線與最大水平主應力垂直，巷道受水平應力的影響最大，圍巖穩(wěn)定性最差。

2.2 確定巷道斷面形狀與尺寸

根據(jù)運輸設備尺寸、通風、行人要求和巷道圍巖變形預留量，設計合理的巷道斷面形狀與尺寸。

2.3 建立數(shù)值模型

根據(jù)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，確定模型模擬范圍、模型網(wǎng)格及邊界條件，選擇合理的模擬圍巖和支護體的力學模型。

2.4 確定模擬方案

根據(jù)模擬對象確定模擬方案。一般包括不同巷道軸向與最大水平主應力方向夾角，不同錨桿預應力，不同錨桿支護密度，及錨索密度、長度、強度等支護方案。

2.5 模擬結果分析

分析巷道圍巖變形與破壞的特征，地應力大小與方向、錨桿與錨索預應力、支護密度、直徑、長度和強度等參數(shù)對支護效果的影響，通過多方案比較，最后選擇有效、經(jīng)濟、便于施工的支護方案。

2.6 井下監(jiān)測與信息反饋及修正設計

初始設計實施于井下后，必須進行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測，監(jiān)測的目的是獲取巷道圍巖和錨桿的各種變形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始設計。

獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)以后，將實測數(shù)據(jù)與信息反饋指標比較，就可判斷初始設計的合理性，必要時修正初始設計。

3 紅石灣煤礦巷道支護設計數(shù)值模擬對比

紅石灣煤礦501工作面回風巷設計走向長度1368 m，傾斜長度173 m，煤層厚度4.6 m，煤層傾角22°，巷道標高：+920～ +856 m，地面標高：123～1246 m，埋深：312～390 m。

3.1 新舊支護設計

原支護設計：普通錨桿支護，頂板6根錨桿，兩幫各4根，排距0.8 m，頂錨桿直徑φ20 mm，幫錨桿直徑φ16 mm，頂錨桿長度2.5 m，幫錨桿長度1.6 m，錨索補強；

新支護設計：400號錨桿支護，頂板5根錨桿，兩幫各4根，排距0.9 m，頂錨桿直徑φ22 mm，幫錨桿直徑φ20 mm，頂錨桿長度2.4 m，幫錨桿長度2.0 m，錨索補強。

3.2 新舊支護方案應力對比

如圖1～圖4所示。

4 工程應用

通過對比巷道位移量、應力分布（如圖1～圖5）可以看出，當采用設計支護方案進行支護時，由于錨桿材質(zhì)的提高，錨桿的承載力大大增加，經(jīng)受兩次動壓影響后錨桿受力大部分都沒有超過屈服極限，巷道剪切破壞范圍明顯減??；由于新設計方案對預緊力的提高，使得巷道圍巖塑性區(qū)明顯減少，應力分布更加均勻，圍巖變形得到有效控制。

5 結語

綜合比較兩種支護方式數(shù)值模擬計算結果，無論從節(jié)約成本考慮還是預應力擴散效果考慮，新支護方案都較原支護方案更為理想。

通過對比原支護方案和新支護方案的位移量、應力分布可以看出，當采用設計支護方案進行支護時，頂板下沉量減少14.6%，左幫移近量減少5%，右?guī)鸵平繙p少11.4%；錨桿的承載力大大增加，錨桿受力大部分都沒有超過屈服極限；

數(shù)值模擬法作為一種新的設計方法，經(jīng)過不斷的改進和發(fā)展，將逐步應用于實際。

參考文獻

[1]何滿潮.中國煤礦巷道錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[2]肖亞寧，馬占國，馬繼剛，等.沿空巷道三維錨索支護機理研究[J]，煤礦開采，2011，16（1）.