不同巷道支護(hù)方式的數(shù)值模擬研究

楊正凱，岳朝陽，顧合龍，齊開權(quán)

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中國平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000；3.河南理工大學(xué) 能源學(xué)院，河南 焦作 454010;4.盛平煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042103)

巷道支護(hù)方式的選擇，與巷道支護(hù)成本、巷道穩(wěn)定及礦井安全密切相關(guān),基于不同支護(hù)理論建立的錨桿支護(hù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，存在很多的局限性[1-3]。因此，須根據(jù)礦井實(shí)際工程概況，對(duì)巷道的錨桿布置進(jìn)行優(yōu)化以選用合適的巷道支護(hù)方式。對(duì)于節(jié)理發(fā)育或巖體破碎的區(qū)域，僅僅通過錨噴支護(hù)無法滿足煤礦井下安全生產(chǎn)的需要，若采用加密錨桿布置、噴錨網(wǎng)支護(hù)或者摩擦錨桿支護(hù)等手段會(huì)增加支護(hù)成本，對(duì)巷道快速掘進(jìn)不利[4-6]。錨噴網(wǎng)支護(hù)的功效較低，支護(hù)效果較差，常出現(xiàn)支護(hù)失效的情況，且在該區(qū)域長時(shí)間進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù)作業(yè)對(duì)工人安全威脅較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬得到快速發(fā)展[7-10]。本文以盛平煤礦為背景，采用數(shù)值模擬方法，進(jìn)行工作面巷道不同支護(hù)方式下的穩(wěn)定性分析，以期為優(yōu)化巷道支護(hù)方式提供參考。

1 支護(hù)方案數(shù)值模型的建立

依據(jù)礦井實(shí)際地層分布建立數(shù)值模型，采用CDEM命令對(duì)巷道進(jìn)行開挖、支護(hù)和計(jì)算，模擬埋深700 m，本模型采用應(yīng)力位移邊界條件，水平位移約束施加在左右邊界，垂直位移約束施加在下邊界，均勻的垂直壓應(yīng)力施加在上邊界，按巷道上覆巖層自重計(jì)算原巖應(yīng)力大小，結(jié)果為17.5 MPa左右，側(cè)壓力系數(shù)為1.18。數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)見表1，其中基本頂為砂質(zhì)泥巖，煤層夾矸為泥巖，直接底為重力砂巖，底板巖層多為L灰?guī)r。支護(hù)方式分別為無支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨桿+肩部錨索支護(hù)、錨桿+全斷面錨索支護(hù)，分別記作模型1、模型2、模型3和模型4。開挖后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭驮O(shè)有表面位移的監(jiān)測點(diǎn)，用來監(jiān)測巷道表面位移的變化。開挖模型與監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置情況如圖1所示。

表1 數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)

圖1 開挖模型與監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置情況

2 巷道開挖后的圍巖應(yīng)力變化特征

在不同支護(hù)方式下巷道開挖后圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力及最大主應(yīng)力變化特征分別如圖2～圖4所示。

圖2 不同支護(hù)條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

圖3 不同支護(hù)方案下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

圖4 不同支護(hù)方案下巷道圍巖最大主應(yīng)力分布

由圖2～圖4可知，巷道開挖后，淺部圍巖的高應(yīng)力釋放，出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，隨著時(shí)間的推移，淺部圍巖的應(yīng)力降低范圍增大，淺部圍巖的自承能力大幅度降低，然而深部圍巖應(yīng)力不斷增大，成為主要承載區(qū)。巷道底板的應(yīng)力降低幅度及范圍最大。由于錨桿與錨索的主動(dòng)支護(hù)作用，巷道淺部圍巖的自承能力隨著支護(hù)參數(shù)的提高而不斷提高，即圍巖的承載區(qū)隨著支護(hù)參數(shù)的提高由深部不斷向淺部轉(zhuǎn)移。

3 巷道開挖后圍巖位移變化特征

不同支護(hù)方案巷道圍巖垂直位移和水平位移分布如圖5和圖6所示，巷道圍巖位移場與支護(hù)參數(shù)呈反相關(guān)性，即隨著巷道支護(hù)參數(shù)的提高圍巖位移變小，無支護(hù)情況下巷道開挖后底板位移量約為34.2 mm，幫部位移量44.69 mm，頂板位移量15.39 mm；利用錨桿支護(hù)后，底板位移量25.28 mm，降低26%，兩幫移近量32.71 mm，降低27.2%，頂板位移量13.14 mm，降低14.9%；利用“錨桿+肩錨索”支護(hù)后，底板位移量20.26 mm，降低41%，兩幫移近量27.09 mm，降低37%，頂板位移量12.11 mm，降低22.6%；采用“錨桿+全斷面錨索”支護(hù)后，底板位移量16.70 mm，降低51.3%，兩幫移近量18.03 mm，降低59.7%，頂板位移量10.07 mm，降低34%。

圖5 不同支護(hù)方案下巷道圍巖垂直位移分布

圖6 不同支護(hù)方案巷道圍巖水平位移分布

不同支護(hù)方案下巷道變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示，由圖7可知，巷道開挖后，其表面位移急劇增加，隨后其增加量逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定，隨著支護(hù)參數(shù)的提高，巷道的頂板下沉量、兩幫移近量及底臌量均減小，相對(duì)與無支護(hù)情況下，其中錨桿支護(hù)對(duì)三者的影響較大，肩錨索對(duì)頂板下沉量的影響較小，但對(duì)巷道兩幫位移量影響較大，全斷面錨索對(duì)巷道幫部圍巖變形量的影響最明顯。從位移的發(fā)展趨勢來看，巷道圍巖的整體向內(nèi)擠壓流動(dòng)。巷道底臌的遞增趨勢與兩幫變形趨勢相近，且關(guān)聯(lián)緊密，底板的破壞將帶動(dòng)巷道兩幫的破壞，同時(shí)兩幫破壞會(huì)加劇底板的破壞，最終影響巷道的整體穩(wěn)定性。

圖7 不同支護(hù)方案下巷道變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 巷道開挖后圍巖塑性區(qū)變化特征

巷道的變形破壞是緩慢變化的過程，巷道不同階段的變形破壞特征與范圍不同。開挖巷道后由于圍巖應(yīng)力的釋放及轉(zhuǎn)移，圍巖強(qiáng)度降低發(fā)生變形破壞，同時(shí)圍巖的變形破壞隨時(shí)間的推移持續(xù)發(fā)展。不同支護(hù)方案下巷道塑性分布特征如圖8所示，隨著時(shí)間的推移，巷道開挖后周圍的塑性區(qū)逐漸增大，巷道底板出現(xiàn)拉伸破壞與剪切破壞交錯(cuò)變化，巷道的其它部位開挖初期拉伸破壞和剪切破壞交錯(cuò)出現(xiàn)，然后迅速變?yōu)閱我坏募羟衅茐模业装謇炱茐牡姆秶黠@比其它部位大，無支護(hù)狀態(tài)下的巷道開挖后，圍巖塑性區(qū)的最大深度約為4 m。巷道支護(hù)后圍巖塑性區(qū)范圍明顯縮小。

圖8 不同支護(hù)方案下巷道塑性分布特征

5 結(jié)論

(1)巷道淺部圍巖的自承能力隨著支護(hù)參數(shù)的提高而增強(qiáng)，即圍巖的承載區(qū)隨著支護(hù)參數(shù)的提高由深部不斷向淺部轉(zhuǎn)移。

(2)肩錨索對(duì)頂板下沉量影響較小對(duì)兩幫位移量影響較大，全斷面錨索對(duì)巷道幫部圍巖變形量的影響最為顯著。

(3)錨桿、錨索能夠很好的起到擠壓懸吊作用，形成了以錨桿為主的承載圈，在錨索的作用下，進(jìn)一步增強(qiáng)了圍巖的組合效應(yīng)和抗變形能力。錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)對(duì)巷道圍巖控制起到較好的作用。

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