基于拉格朗日有限差分?jǐn)?shù)值模擬的巷道掘進(jìn)技術(shù)研究

王峰

摘 要：針對(duì)大斷面煤礦巷道快速掘進(jìn)，在保障作業(yè)安全性的基礎(chǔ)上，通過(guò)評(píng)價(jià)干擾掘進(jìn)進(jìn)度的各項(xiàng)原因，針對(duì)影響進(jìn)度的關(guān)鍵要素逐一進(jìn)行解決，以保證采掘接續(xù)作業(yè)能夠順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：大斷面；快速；掘進(jìn)；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.106

國(guó)內(nèi)的煤礦工程大多屬于地下開(kāi)采，煤礦巷道的環(huán)境比較特殊、巷道圍巖應(yīng)力多變，使得在采礦掘進(jìn)作業(yè)以及維修方面有難度，巷道掘進(jìn)的成本大、工程量大、不夠安全。如今煤礦掘進(jìn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)33%的機(jī)械化作業(yè)，大幅增加了巷道的掘進(jìn)量、月進(jìn)尺以及年進(jìn)尺的長(zhǎng)度。隨著煤炭等基礎(chǔ)能源的需求量增加，大斷面巷道的快速掘進(jìn)會(huì)越來(lái)越多，必須通過(guò)采用新思路、新方法、新技術(shù)，增加大斷面巷道的施工進(jìn)度，促進(jìn)煤炭企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[1]。

1 FLAC3D數(shù)值模型

采用拉格朗日有限差分?jǐn)?shù)值模擬的方法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，通過(guò)求解連帶方程來(lái)模擬工程中應(yīng)力的變化。該模型能夠有效地應(yīng)用在巖土工程和采礦工程中，清晰地顯示工程中各處巖石的受力情況。在施工過(guò)程中該模型的應(yīng)用比較廣泛，無(wú)論是時(shí)間上還是空間上，巷道圍巖的應(yīng)力情況都能夠明確顯示，針對(duì)干擾巷道穩(wěn)定性的各種因子，制定解決方案。與測(cè)量、理論和物理模擬相比，數(shù)值模型能通過(guò)模擬巖體的各種結(jié)構(gòu)特性，如邊值、構(gòu)造面等，來(lái)模擬采礦工程的提前量，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的情況。由于模擬的結(jié)果精確有效，該模型已經(jīng)應(yīng)用到了包括采礦業(yè)在內(nèi)的各種巖土工程中。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求試驗(yàn)工作面運(yùn)輸順槽斷面選為矩形，毛寬 5.6m，毛高4.4m，凈寬5.4m，凈高4.3m，開(kāi)口位置為工作面運(yùn)輸順槽運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)巷處。為保證模擬結(jié)果能夠觀測(cè)到巷道開(kāi)挖及不同錨桿預(yù)應(yīng)力條件下巷道圍巖應(yīng)力的擴(kuò)散狀態(tài)，模型大小應(yīng)在各方向均大于巷道開(kāi)挖的影響半徑（一般為巷道直徑的 3～5 倍范圍）。同時(shí)，考慮到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，特將模擬范圍設(shè)定為長(zhǎng)×寬×高=60m×5m×35.5m 的區(qū)域，劃分網(wǎng)格為90×20×61個(gè)，共生成109800個(gè)區(qū)域以及 118482 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 分析錨桿的支護(hù)參數(shù)

2.1 確定錨桿的最佳直徑

巷道圍巖的控制程度與錨桿提供給圍巖的支護(hù)阻力有關(guān)，該阻力與錨桿的直徑又有很大關(guān)系[3]。在錨桿的長(zhǎng)度和材料固定不變時(shí)，錨桿的直徑成為影響錨桿支護(hù)阻力大小的直接因素。對(duì)支護(hù)的相關(guān)理論進(jìn)行綜述，并結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：錨桿半徑的平方與支護(hù)的阻力以及支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度成正比例的關(guān)系。此外，施工也會(huì)影響錨固力的大小，通過(guò)對(duì)錨桿直徑和鉆孔進(jìn)行匹配發(fā)現(xiàn)，如果直徑和鉆孔的參數(shù)接近的話，安裝會(huì)存在難度；但是當(dāng)數(shù)據(jù)差距較大時(shí)，錨桿工作的阻力也會(huì)有所降低。

本文研究以試驗(yàn)煤層頂板為例，為強(qiáng)度較低的砂質(zhì)泥巖。按照圍巖的地質(zhì)情況以及試驗(yàn)工作面運(yùn)輸順槽的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)條件，將試驗(yàn)工作面運(yùn)輸順槽頂板的錨桿明確為高強(qiáng)度的Φ20mm左旋螺紋鋼；兩幫錨桿為高強(qiáng)度的Φ18mm玻璃鋼。分析地質(zhì)條件以及工作面的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，錨桿的直徑參數(shù)保持不變時(shí)，影響支護(hù)的主要因素為錨桿的間排距和長(zhǎng)度。FLAC3D數(shù)值模型可以模擬錨桿的間排距和長(zhǎng)度，模擬的結(jié)果作為參考，用來(lái)優(yōu)化試驗(yàn)工作面運(yùn)輸順槽的支護(hù)參數(shù)。

2.2 確定錨桿的最佳長(zhǎng)度

研究錨桿的最佳長(zhǎng)度時(shí)，將錨桿的間排距設(shè)定為1000×1000，錨桿的直徑設(shè)定為Φ20mm，幫錨桿的直徑設(shè)定為Φ18mm，此外也設(shè)定好其它的參數(shù)和影響因素。在此基礎(chǔ)上在改變錨桿長(zhǎng)度的過(guò)程中觀察巷道的穩(wěn)定性，最穩(wěn)定的狀態(tài)即為錨桿的最佳長(zhǎng)度。借鑒臨近輔運(yùn)上山的支護(hù)效果，來(lái)微調(diào)選取的錨桿長(zhǎng)度，并制定多種不同錨桿長(zhǎng)度的支護(hù)方案。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示分為三種應(yīng)力場(chǎng)，分別為垂直應(yīng)力分布、錨固應(yīng)力場(chǎng)以及頂幫錨桿圍巖應(yīng)力場(chǎng)。由于錨桿會(huì)影響對(duì)頂板應(yīng)力場(chǎng)的觀測(cè)，為了更精確系統(tǒng)地觀測(cè)、對(duì)比分析，上圖中沒(méi)顯示錨桿。根據(jù)垂直應(yīng)力分布圖可以看出，這幾個(gè)方案的應(yīng)力分布存在規(guī)律相似的情況，水平方向上的應(yīng)力降低區(qū)發(fā)展深度較小，應(yīng)力升高區(qū)比較明顯，垂直方向上的應(yīng)力降低區(qū)發(fā)展深度較大，但是不存在應(yīng)力升高區(qū)。根據(jù)錨固應(yīng)力場(chǎng)圖可以看出，在對(duì)錨桿施加預(yù)緊力后，巷道和錨桿成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，錨桿對(duì)巷道的支護(hù)力度增加，應(yīng)力區(qū)在圍巖附近呈“倒凹”型，錨桿長(zhǎng)度增加后，壓應(yīng)力區(qū)的厚度和范圍也有所增大，擴(kuò)大錨桿的作用范圍后增加了錨桿的支護(hù)程度，控制了巷道圍巖的變形程度。同時(shí)，錨桿中上部和兩錨桿之間中部圍巖的壓應(yīng)力逐漸減小?？梢缘贸鲱A(yù)緊力一定時(shí)，錨桿的長(zhǎng)度越大，預(yù)應(yīng)力的作用越小，錨桿的支護(hù)作用越弱。所以，要想維持較好的支護(hù)效果，應(yīng)當(dāng)增加施加的預(yù)應(yīng)力，并適當(dāng)?shù)亟档湾^桿的長(zhǎng)度[3-4]。

3 結(jié)論

（1）在設(shè)定預(yù)緊力的情況下，通過(guò)設(shè)定頂錨桿的不同長(zhǎng)度、模擬幫錨桿的配對(duì)方式發(fā)現(xiàn)，錨桿的長(zhǎng)度越大，預(yù)應(yīng)力的作用越小，錨桿的支護(hù)作用越弱。要想維持較好的支護(hù)效果，應(yīng)當(dāng)增加施加的預(yù)應(yīng)力，并適當(dāng)?shù)亟档湾^桿的長(zhǎng)度。通過(guò)觀測(cè)圍巖的變形程度發(fā)現(xiàn)，為了維持錨桿對(duì)巷道支護(hù)的最佳作用，需要減小頂板的下沉量，因此微調(diào)增加了頂錨桿的長(zhǎng)度，將頂錨桿的最佳長(zhǎng)度確定為 2.4m，預(yù)估經(jīng)濟(jì)效益以及對(duì)圍巖的控制效果后，將幫錨桿的最佳長(zhǎng)度確定為2.0m。

（2）錨桿的軸向應(yīng)力分布呈現(xiàn)出規(guī)律相似的三個(gè)階段，分別為高應(yīng)力階段、應(yīng)力急劇減小階段以及小應(yīng)力階段。從1.4m位置到錨桿端部，錨桿的軸向力數(shù)值已經(jīng)很小，但仍然有減小的趨勢(shì)，在頂錨桿2.4m、幫錨桿2.0m位置以后，軸向力基本減小為零，可見(jiàn)錨桿的長(zhǎng)度到達(dá)一定程度后，過(guò)長(zhǎng)的那段對(duì)錨固已經(jīng)不起作用。

參考文獻(xiàn)：

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