楓香礦區(qū)回采巷道錨桿支護設(shè)計FLAC3D 模擬分析＊

高 林 ，劉 勇，崔道品，李 可，蘆慶和

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083;2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽550025;3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽550025;4.貴州省復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽550025;5.貴州理工學(xué)院 采礦工程學(xué)院，貴州 貴陽550003)

楓香礦區(qū)位于貴州省遵義縣西北部楓香鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，探明儲量達1.2 億噸，目前主要以年產(chǎn)30 萬噸/a 及以下小型煤礦為主。在國家相關(guān)政策的要求下［1］，目前貴州省正在大力推進小型煤礦機械化開采的進程。小型煤礦采用機械化開采以后，回采巷道斷面不可避免地相應(yīng)增大。為此，貴州省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局、貴州省煤礦安全監(jiān)察局在下發(fā)的《關(guān)于煤礦采煤工作面運輸巷回風(fēng)巷設(shè)計審查施工規(guī)定的通知》(黔安監(jiān)辦〔2011〕205 號)一文中明確指出［2］，采用普通機械化開采的礦井回采巷道凈斷面不得小于8 m2。以往礦區(qū)內(nèi)煤礦主要采用工字鋼等被動支護形式，鑒于煤巷錨桿支護的優(yōu)越性，針對該礦區(qū)回采巷道錨桿支護技術(shù)進行了具體研究。

在研究先期階段，通過現(xiàn)場回采期間巷道表面位移的觀測，總結(jié)分析出了采動影響下回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;通過實驗室測定，得到了回采巷道圍巖力學(xué)參數(shù);通過巖層鉆孔探測儀的現(xiàn)場實測，得到了圍巖破壞松動圈范圍。在以上研究的基礎(chǔ)上，采用模糊聚類和圍巖松動圈分類法確定了該礦區(qū)范圍內(nèi)煤礦回采巷道圍巖穩(wěn)定性類別屬于Ⅲ(一般圍巖)～Ⅳ(一般不穩(wěn)定圍巖)類。

選擇紙房煤礦1701 運輸巷作為工程實踐對象，基于松動圈支護理論［3］，進行了錨桿支護初始設(shè)計參數(shù)確定，為確保下一步工程實踐效果的可靠性，在工程實踐之前試圖通過數(shù)值模擬軟件進行支護設(shè)計可靠性初步模擬分析。

1 回采巷道錨桿支護設(shè)計

1.1 設(shè)計方法的確定

巷道錨桿支護中支護設(shè)計是一項關(guān)鍵技術(shù)，對最大限度發(fā)揮錨桿支護的優(yōu)越性，保證巷道支護安全具有十分重要的意義。如果支護形式和參數(shù)設(shè)計不合理，就會造成兩個極端:要么是支護強度太高，不僅浪費支護材料，而且影響掘進速度;要么是支護強度不夠，不能有效控制圍巖變形，出現(xiàn)冒頂事故。因此，合理地確定支護形式和參數(shù)是設(shè)計的最終目標(biāo)［4］。

目前，根據(jù)國內(nèi)外錨桿支護技術(shù)研究成果，錨桿支護設(shè)計方法主要分為三大類:工程類比法、理論計算法和數(shù)值模擬法［5］。我們通過分析并結(jié)合現(xiàn)場實際條件，綜合提出了“初始設(shè)計(理論計算法)→數(shù)值模擬→現(xiàn)場監(jiān)測→最終確定支護形式及參數(shù)”回采巷道錨桿支護設(shè)計思路，具體流程如圖1。

1.2 支護初始設(shè)計

圖1 設(shè)計思路示意圖

根據(jù)確定的設(shè)計方法及已有的研究成果，紙房煤礦1701 運輸巷錨桿支護初始設(shè)計如圖2 所示。

錨桿支護形式及相關(guān)參數(shù):采用錨網(wǎng)支護形式，回采巷道頂板、兩幫分別選用Ф22 ×2200、Ф20×2000 螺紋錨桿，設(shè)計錨桿間排距800 ×800 mm，選用Z2335 樹脂錨固劑，全長錨固，并鋪設(shè)40 mm×40 mm 菱形金屬網(wǎng)。

圖2 1701 運輸巷錨桿支護設(shè)計(圖中單位:mm)

2 數(shù)值模擬分析

為進一步驗證錨桿支護初始設(shè)計的合理性，研究中采用大型非線性有限差分軟件(FLAC3D)數(shù)值模擬程序?qū)埛棵旱V1701 運輸巷巷道圍巖受力、變形、破壞特征進行模擬分析。

2.1 FLAC3D應(yīng)用程序簡介［6-8］

FLAC 程序(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美國明尼蘇達大學(xué)和美國Itasca Consulting Group Inc.于20 世紀(jì)80 年代推出的專門模擬地質(zhì)材料和巖土工程非線性力學(xué)行為的大型標(biāo)準(zhǔn)化程序，是目前國際巖土工程界和采礦工程界公認(rèn)并得到廣泛推廣應(yīng)用的數(shù)值方法。

FLAC3D采用拉格朗日差分算法不僅可以模擬材料的屈服、塑性流動、非線性大變形等力學(xué)行為，而且可以進行滲流分析、熱力學(xué)分析、地震動力分析以及巖土體的蠕變行為分析等計算。另外，該程序還可以完成流—固耦合、力—熱—水耦合及滲流—地震耦合分析等多種功能。

FALC3D為巖土工程問題的求解開發(fā)了10 種材料模型，能夠模擬與巖土體相互作用的結(jié)構(gòu)單元，如隧道襯砌、錨桿/錨索、樁/梁以及土工織物等的受力與變形等。FALC3D具有良好的前、后處理功能，程序內(nèi)嵌的FISH 語言能夠讓用戶定義新的變量和函數(shù)，以用于滿足不同的巖土工程問題。因此選用該軟件來模擬煤礦巷道支護與工作面回采過程是非常合適的。

FLAC3D軟件數(shù)值模擬計算分析的一般步驟如圖3。

圖3 數(shù)值模擬計算分析過程圖

目前，F(xiàn)LAC3D軟件已在礦山設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在巷道錨桿支護方面，通過FLAC3D對初始設(shè)計方案進行模擬預(yù)測與分析已經(jīng)越來越成為一種趨勢。

2.2 錨桿支護圍巖變形數(shù)值模擬分析

1)模擬巷道說明

根據(jù)所研究及解決的問題，模擬對象為紙房煤礦1701 運輸巷。對所設(shè)計的錨桿支護形式進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)圍巖應(yīng)力和圍巖變形量大小驗證1701 運輸巷錨桿支護初始設(shè)計是否合理。1701 運輸巷錨桿支護形式及相關(guān)參數(shù)見圖2，巷道斷面的形狀為斜頂梯形，斷面尺寸為3.60 m×2.671 m。

2)模擬巷道煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

研究過程中，除現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和收集的相關(guān)地質(zhì)資料外，同時在楓香礦區(qū)采集了研究礦井回采巷道煤層頂、底板巖樣和煤層煤樣，而后在實驗室加工制取了標(biāo)準(zhǔn)試件，進行了巖石單向抗剪實驗、巖石在單向壓縮狀態(tài)下的變形參數(shù)測定實驗、巖石單向抗拉強度測定等實驗。記錄了實驗數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析和處理，計算得出了各煤巖層一些物理力學(xué)參數(shù)，如內(nèi)摩擦角φ、凝聚力C、抗壓強度、抗拉強度等，整理得出了實驗報告。根據(jù)實驗報告，C7 煤層及其頂?shù)装鍘r性及物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 C7 煤層頂?shù)装鍘r性及物理力學(xué)性質(zhì)

3)數(shù)值建模

在建模過程中嚴(yán)格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，XOY 平面取為水平面，Z 軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個坐標(biāo)系符合右手螺旋法則。取紙房煤礦1701 運輸巷左下角點為坐標(biāo)原點，水平向右為X 軸正方向，沿巷道徑向為Y 軸正方向，垂直向上為Z 軸正方向，重力方向沿Z 軸負(fù)方向。三維模型的邊界條件取為:四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。數(shù)值計算中分別模擬巷道的應(yīng)力、位移分布。

圖4 ～5 為數(shù)值模型圖。

圖4 巷道整體模型效果圖

圖5 巷道與頂?shù)装迕簬r層分布圖

4)模擬結(jié)果及分析

FLAC3D模擬結(jié)果見圖6 ～9。

圖6 1701 運輸巷巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖

圖7 1701 運輸巷巷道圍巖水平應(yīng)力分布圖

圖8 1701 運輸巷巷道圍巖垂直位移分布圖

圖9 1701 運輸巷巷道圍巖水平位移分布圖

3 模擬結(jié)果分析

1)由圖6 ～7 可知，當(dāng)紙房煤礦1701 運輸巷按照所設(shè)計的錨桿支護形式進行支護時，巷道圍巖在垂直方向上所受最大應(yīng)力為11.616 MPa，最小水平應(yīng)力為6.5476 MPa。由垂直及水平應(yīng)力分布圖可知，改用錨桿支護斜頂梯形回采巷道后，巷道應(yīng)力集中區(qū)域范圍明顯減少，應(yīng)力值不大。

2)由圖8 ～9 可知，圍巖位移量在垂直方向上為36.449 mm，水平位移為38.779 mm。從垂直及水平位移分布圖來看，錨桿支護后，圍巖變形量較小，說明采用錨桿支護后，極大的抑制了圍巖的變形量，有效的控制了圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

文章采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對回采巷道錨桿支護初始設(shè)計進行了模擬分析，從1701 運輸巷掘進后巷道圍巖應(yīng)力場、位移場來看，采用錨桿支護后，巷道圍巖變形量和受力情況都相對較好，表明所采用的錨桿支護形式及支護參數(shù)較合理。因此，在楓香礦區(qū)此類圍巖回采巷道中實施錨桿支護是可行的，下一步可應(yīng)用于工程實踐。

錨桿支護設(shè)計中，首先采用理論計算法進行錨桿支護初始設(shè)計，再通過數(shù)值模擬分析的方法確保初始設(shè)計的可靠性后進行工程實踐，可大大提高錨桿支護設(shè)計精度和降低工程實踐的盲目性和不確定性。

［1］國家安全監(jiān)管總局，國家煤礦安監(jiān)局，國家發(fā)展改革委，國家能源局.關(guān)于推進小型煤礦機械化的指導(dǎo)意見［EB/OL］. http://www. chinasafety. gov. cn/newpage/Contents/Channel _6491/2010/1025/132005/content_132005.htm，2010 -10 -15.

［2］貴州省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，貴州省煤礦安全監(jiān)察局. 關(guān)于煤礦采煤工作面運輸巷回風(fēng)巷設(shè)計審查施工規(guī)定的通知［EB/OL］. http://www. gzaj. gov. cn/ywzx/mkaqsc/gwgg/57965. shtml，2011 -10 -21.

［3］董方庭.巷道圍巖松動圈支護理論及應(yīng)用技術(shù)［M］. 北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

［4］何滿潮，袁和生，靖洪文.中國煤礦錨桿支護理論與實踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［5］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.11.

［6］康紅普.回采巷道錨桿支護影響因素的FLAC 分析［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18(5):534 -537.

［7］劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［8］伍永平，楊永剛，來興平，等. 巷道錨桿支護參數(shù)的數(shù)值模擬分析與確定［J］. 采礦與安全工程學(xué)報，2006，23(4):398 -401.