基于數(shù)值分析的巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

張玉新

（中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司，北京100120）

我國(guó)的煤礦數(shù)量和巷道總長(zhǎng)度都居世界第一，這也使得我國(guó)煤礦遇的問(wèn)題更多更棘手，其中巷道圍巖變形破壞尤其是巷道頂?shù)装遄冃螁?wèn)題已經(jīng)成為嚴(yán)重制約我國(guó)煤礦安全高效開(kāi)采的因素之一［1－3］。由于國(guó)內(nèi)外在治理巷道頂?shù)装遄冃畏矫嫔袥](méi)有明確的理論指導(dǎo)，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)調(diào)整支護(hù)方案往往導(dǎo)致反復(fù)維修巷道，嚴(yán)重影響煤礦的安全高效開(kāi)采［4－6］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法以其經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用［7－8］。本文以長(zhǎng)期受巷道頂?shù)装宕笞冃螁?wèn)題困擾的淮北某煤礦為工程背景，利用數(shù)值模擬分析的方法，探討不同支護(hù)方案對(duì)巷道頂?shù)装遄冃蔚目刂菩Ч?，最終確定適合該煤礦巷道頂?shù)装蹇刂频淖顑?yōu)方案。

1 工程概況

該煤礦可采煤層共有四層，分別為6層、5層、4層及3層，本文的研究對(duì)象為IV5210工作面的機(jī)巷，位于第5煤層，其平面布置圖如圖1所示。工作面北部為礦界，南部為采區(qū)上山，西部為IV528工作面（已采），東部為未采區(qū)。IV5210工作面位于該礦Ⅳ水平深部，工作面標(biāo)高范圍－715～－512m，地面標(biāo)高＋31.5m。據(jù)已有資料分析該面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，局部煤層受火成巖侵蝕，且存在變薄現(xiàn)象，面內(nèi)共有7條斷層，最大斷層落差達(dá)8m。該工作面水文地質(zhì)條件一般，主要受煤層頂、底板砂巖裂隙水及火成巖凝結(jié)水的影響，正常涌水量3～5m3／h，故進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)可不考慮該工作面水的影響。

圖1 A504工作面的水平布置圖

IV5210工作面機(jī)風(fēng)巷沿煤層走向布置，設(shè)計(jì)斷面為寬×高＝4000mm×2800mm，直接頂為灰黑色泥巖，裂隙發(fā)育，厚度不穩(wěn)定，平均厚度為3.9m；老頂為4煤，4煤大部分被火成巖侵蝕，厚度不穩(wěn)定，平均厚度為6.8m；直接底為灰黑色泥巖，厚度不穩(wěn)定，平均厚度為6.7m，老底為淺灰色砂巖，平均厚4.8m，其頂?shù)装鍘r層參數(shù)如表1所示。IV5210工作面機(jī)巷支護(hù)形式采用錨（索）帶網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)該機(jī)巷變形嚴(yán)重，尤其是機(jī)巷的頂?shù)装遄冃纹茐膰?yán)重，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)了較大隱患，因此有必要對(duì)該礦現(xiàn)有的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 支護(hù)方案優(yōu)化

通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)該礦IV5210工作面機(jī)巷的現(xiàn)行支護(hù)方案存在一定的不足之處，因此在不增加煤礦支護(hù)成本即不改變?cè)ёo(hù)方案中錨桿（索）材質(zhì)、直徑、長(zhǎng)度及錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，針對(duì)錨桿（索）布置方式，提出了若干種優(yōu)化方案。

2.1 方案一（原支護(hù)方案）

巷道頂板錨桿選用φ22mm×2200mm的錨桿配合L4200M4型鋼帶進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)加掛菱形網(wǎng)，間距800mm，排距800mm，頂板兩邊錨桿各向外傾斜10°；幫部錨桿選用φ22mm×2200mm的錨桿配合L2800M4型鋼帶進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)加掛菱形網(wǎng)，間距800mm，排距800mm；頂板錨索選用φ17.8mm×6000mm鋼絞線(xiàn)，間距2000mm，排距2400mm。其具體布置方式如圖2所示。

圖2 支護(hù)方案一

2.2 方案二

巷道高2550mm、寬4000mm，巷道頂板錨桿選用φ22mm×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間距1600mm，排距800mm，頂板兩邊錨桿各向外傾斜10°；幫部錨桿選用φ22mm×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距800mm；頂板錨索選用 φ17.8mm×6000mm 鋼絞線(xiàn)，間距1600mm，排距800mm。其余錨桿（索）參數(shù)與巷道原支護(hù)方案相同，其具體布置方式如圖3所示。

圖3 支護(hù)方案二

2.3 方案三

巷道頂板錨桿選用φ22mm×2200mm的錨桿，間距1600mm，排距800mm；幫部錨桿選用φ22mm×2200mm的錨桿，間距800mm，排距800mm；頂板錨索選用 φ17.8mm×6000mm 鋼絞線(xiàn)，間距1600mm，排距800mm，頂板兩邊錨索各向外傾斜10°。其余錨桿（索）參數(shù)與方案一相同，其具體布置方式如圖4所示。

2.4 方案四

巷道頂板錨桿選用φ22mm×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距800mm；幫部錨桿選用φ22mm×2200mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距800mm，左右?guī)筒康族^桿各向下傾斜30°；頂板錨索選用φ17.8mm×6000mm鋼絞線(xiàn)，間距2000mm，排距2400mm。其余錨桿（索）參數(shù)與巷道原支護(hù)方案相同，其具體布置方式如圖5所示。

圖4 支護(hù)方案三

圖5 支護(hù)方案四

3 數(shù)值模擬分析

在采礦工程中，許多學(xué)者利用FLAC軟件對(duì)采礦過(guò)程中圍巖活動(dòng)規(guī)律及巷道圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題涉及到的巖體力學(xué)特性、圍巖壓力、支護(hù)圍巖相互作用關(guān)系及巷道與工作面的時(shí)空關(guān)系等一系列復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了系列研究，取得了顯著的成果［9－10］，本文采用FLAC3D大型數(shù)值分析軟件對(duì)巷道的不同的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，對(duì)比不同方案下，巷道圍巖的位移變形情況、塑性區(qū)分布情況等，以確定最佳方案。

3.1 原始模型建立

FLAC3D計(jì)算模型范圍的選取直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確與否，模型范圍太大，白白耗費(fèi)了計(jì)算機(jī)資源，模型范圍太小，計(jì)算結(jié)果失真，不能給實(shí)際工程指導(dǎo)性的意見(jiàn)，因此合理的選擇計(jì)算模型的范圍至關(guān)重要。根據(jù)巖石力學(xué)原理，掘巷后的應(yīng)力影響范圍約為巷道寬度的3～5倍，結(jié)合巷道尺寸，故整個(gè)模型的長(zhǎng)寬高尺寸分別為40m×20m×40m。計(jì)算模型的尺寸一旦確定，計(jì)算網(wǎng)格的數(shù)目也相應(yīng)確定，程序中為了減少因網(wǎng)格劃分引起的誤差，網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比應(yīng)不大于5，對(duì)于重點(diǎn)研究區(qū)域可以進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。綜上所述，為了與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況盡可能一致的同時(shí)考慮到建模的方便及合理，模型建立如圖6所示，其中x方向最多被劃分為80個(gè)網(wǎng)格、y方向最多被劃分為20個(gè)網(wǎng)格、z方向最多被劃分為46個(gè)網(wǎng)格，共73600個(gè)單元。整個(gè)模型從上到下依次為覆巖、老頂火成巖、直接頂泥巖、煤層、直接底泥巖、老頂砂巖，巷道位于煤層中。

圖6 模型圖

模型的邊界條件包括位移邊界和應(yīng)力邊界兩種，本次數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)置為：左右邊界只約束x方向上的位移，前后邊界只約束y方向上的位移，即單約束邊界；下部邊界為全約束邊界；上部邊界不約束，施加垂直荷載，模擬上覆巖層自重。煤巖體的本構(gòu)模型選取摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，各層煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)均由試驗(yàn)測(cè)定，見(jiàn)表2。

表2 模型各層煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)

首先將模型運(yùn)算至自動(dòng)平衡，獲得初始應(yīng)力場(chǎng)，整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力分布均勻，煤層所在處的垂直應(yīng)力約為16MPa左右，與實(shí)測(cè)及理論計(jì)算的的原巖應(yīng)力基本相符，故以此模型為背景進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

模型運(yùn)算至塑性平衡狀態(tài)后，將模型位移置零，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件對(duì)巷道進(jìn)行全斷面一次開(kāi)挖，然后根據(jù)上文中的不同支護(hù)方案來(lái)布置錨桿（索），并計(jì)算至算至平衡，最終得到一系列不同支護(hù)方案下的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)，調(diào)取不同計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行如下分析。

3.2.1 巷道變形云圖

圖7中的圖a～e分別為巷道在不同支護(hù)狀態(tài)下，其圍巖變形分布云圖，圖中不同顏色表征了巷道圍巖的不同變形量，從藍(lán)色到紅色變形量遞增。從圖7a中可以看出，無(wú)支護(hù)時(shí)巷道變形主要以巷道頂?shù)装遄冃螢橹?，頂?shù)装遄畲笠平窟_(dá)到100cm，且其直接導(dǎo)致巷道兩幫上部的圍巖變形也顯著增大，這與IV5210工作面機(jī)巷的現(xiàn)場(chǎng)變形情況基本相符，且其底板的變形破壞特征是以?xún)傻捉堑淖冃味鴰?dòng)整個(gè)底板鼓起為特點(diǎn)。從不同的支護(hù)方案可以看出，各種支護(hù)方案均較大程度地降低了頂板下沉量，尤其是方案三對(duì)頂板下沉量的控制更為明顯，但是由于各種方案對(duì)底板均無(wú)具體支護(hù)措施，所以各種方案對(duì)巷道底板的鼓起量的限制都不大。綜上所述，從控制巷道頂板下沉量的角度考慮，方案三更為合理。

圖7 不同支護(hù)方案下的巷道變形云圖

3.2.2 塑性區(qū)分布圖

煤巖體中巷道開(kāi)挖后，會(huì)在巷道圍巖中產(chǎn)生塑性區(qū)，而根據(jù)不同的塑性區(qū)可以判斷巖石的受力狀態(tài)，研究巷道開(kāi)挖后圍巖的塑性區(qū)分布可以較好的表征巷道支護(hù)效果的好壞。FLAC3D數(shù)值分析軟件在這方面有較強(qiáng)的功能，圖8中的圖a～e分別為巷道在不同支護(hù)狀態(tài)下，其圍巖的塑性區(qū)分布圖，圖中的不同的顏色表征了圍巖單元的不同塑性區(qū)狀態(tài)，即拉伸塑性區(qū)和剪切塑性區(qū)。從圖中可以看出，無(wú)支護(hù)時(shí)，巷道圍巖的頂?shù)装宄霈F(xiàn)較大范圍的拉伸塑性區(qū)，而巖石的抗拉強(qiáng)度一般較低，故可認(rèn)為巷道的頂?shù)装迤茐膰?yán)重，同時(shí)巷道所在煤層及其直接頂幾乎完全處于剪切塑性區(qū)，即可認(rèn)為其變形比較嚴(yán)重。而4種支護(hù)方案均在一定程度上降低了巷道圍巖的塑性區(qū)范圍，尤其是方案三對(duì)巷道頂板的拉伸塑性區(qū)和剪切塑性區(qū)明顯減小，但是由于六種方案均針對(duì)巷道底板均無(wú)任何支護(hù)措施，故巷道底板的拉伸塑性區(qū)沒(méi)有減小明顯，所以降低巷道圍巖塑性區(qū)的角度考慮，方案三更為合理。

3.2.3 巷幫變形——時(shí)步曲線(xiàn)

圖9中的圖～e分別為巷道頂板中部和底板總部處的圍巖變形和計(jì)算時(shí)步相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖，橫坐標(biāo)為計(jì)算時(shí)步，縱坐標(biāo)為巷道頂?shù)装逯胁考醋冃瘟孔畲蟮谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)的垂直位移量，其變形－時(shí)步曲線(xiàn)也反映了巷道圍巖各點(diǎn)的變形趨勢(shì)。由圖9中可以看出無(wú)支護(hù)方案時(shí)，巷道頂板的下沉速率和最終下沉量都要明顯大于巷道底板的變形量，而從不同支護(hù)方案可以看出，不同的支護(hù)方案均很好的控制了巷道頂板圍巖的變形速率和最終變形量，但是值得注意的是，六種方案均較大程度的增加了巷道底板初期的變形速率。根據(jù)曲線(xiàn)圖進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到表3，從表3中可以看出同其他方案相比，方案三在控制巷道頂?shù)装逡平糠矫嬉詢(xún)?yōu)于其他方案。同時(shí)值得注意的是方案四在控制巷道鼓起量方面效果更為明顯。分析其原因是由于其兩底幫處的兩根錨桿向下傾斜，更好的限制了巷道底板的變形，因此建議在采用方案三的同時(shí)，將其兩底幫處的錨桿向下傾斜一定角度。

圖8 不同支護(hù)方案下的塑性區(qū)分布圖

圖9 不同支護(hù)方案下的巷道頂?shù)装遄冃螘r(shí)步圖

表3 不同支護(hù)方案下巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟浚▎挝唬簃）

4 結(jié)論

綜上所述，利用FLAC3D數(shù)值分析軟件較好的模擬了不同支護(hù)方案下的巷道掘進(jìn)過(guò)程，得到了巷道圍巖的變形狀態(tài)及塑性區(qū)分布狀態(tài)等數(shù)值計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)上述結(jié)果的對(duì)比分析可以看出，在方案三的基礎(chǔ)上將兩幫部的底角錨桿向下傾斜30°能更好的控制該礦IV5210工作面機(jī)風(fēng)巷的頂?shù)装遄冃?。該礦在后續(xù)的巷道支護(hù)中采取了該方案措施，有效控制了巷道的頂?shù)装遄冃?，保證了煤礦的安全、高效生產(chǎn)。

［1］彭蘇萍，童有德，李金才，等.中國(guó)東部煤層開(kāi)采中的地質(zhì)災(zāi)害和今后的研究方向［C］.第六屆全國(guó)采礦學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1999：141－144.

［2］彭蘇萍.建立和完善我國(guó)煤礦高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)的幾個(gè)問(wèn)題［C］.中國(guó)科協(xié)第31次“青年科學(xué)家論壇、報(bào)告文集［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1998：19－25.

［3］王衛(wèi)軍，候朝烔.回采巷道底鼓力學(xué)原理及控制研究新進(jìn)展［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（1）：1－5.

［4］何杰兵.礦山巖石巷道底鼓發(fā)生的力學(xué)機(jī)理及防治措施研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2008.

［5］孔翔.巷道底鼓機(jī)理及防治措施探討［J］.能源技術(shù)與管理，2011（1）：30－33.

［6］姜耀東，趙毅鑫，劉文崗，等.深部開(kāi)采中巷道底鼓問(wèn)題的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（14）：18－20.

［7］伍永平，黃超慧，來(lái)興平，等.深部軟巖特性對(duì)底鼓的影響與數(shù)值模擬研究［J］.煤炭工程，2006（10）：65－67.

［8］潘一山.有限元數(shù)值分析方法分析巷道底鼓問(wèn)題［A］.第一屆中蘇采礦學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集［C］.泰安：山東礦業(yè)學(xué)院，1991.

［9］陳育民，徐鼎平.FLAC3D基礎(chǔ)工程與實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：408－410.

［10］劉波，韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005：367－368.