三維條件下煤礦巷道錨桿支護(hù)參數(shù)正交數(shù)值模擬研究

李小裕 丁 楠 蔣力帥

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266510)

三維條件下煤礦巷道錨桿支護(hù)參數(shù)正交數(shù)值模擬研究

李小裕 丁 楠 蔣力帥

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266510)

基于興隆煤礦實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，通過(guò)正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)模擬方案，模擬了煤礦巷道三維空間中不同錨桿支護(hù)參數(shù)及布置形式下巷道頂板沿走向和傾向的變形破壞情況，得到了錨桿長(zhǎng)度、預(yù)緊力、支護(hù)密度和布置形式對(duì)巷道頂板變形的影響規(guī)律，通過(guò)正交分析得出各因素對(duì)頂板變形的重要性排序依次為支護(hù)密度、預(yù)緊力、布置形式、錨桿長(zhǎng)度。研究結(jié)論可為相似工程條件下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

錨桿支護(hù) 支護(hù)設(shè)計(jì) 三維條件 數(shù)值模擬 正交試驗(yàn)

AbstractBased on the geological engineering conditions of Xinglong Mine, using FLAC3D finite difference numerical simulation software and the orthogonal test method to design simulation schemes, roof deformation along the directions of both strike and tendency with different rock bolt support schemes and parameters were simulated. The influencing laws of support density, pre-tension, bolt length and layout pattern on roof deformation were figured out by numerical simulation and orthogonal test analysis, which indicated that the importance sequence of each factor to the deformation of roof were support density, pre-tension, layout pattern and bolt length. The research could provide reference for roadway support design under similar engineering conditions.

Keywordsrock bolt support, support design, three-dimension condition, numerical simulation, orthogonal experiment

科學(xué)合理的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)于充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的優(yōu)越性及保證巷道的穩(wěn)定性有非常重要的意義。支護(hù)設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成支護(hù)強(qiáng)度和成本的冗余或欠缺，不能有效遏制圍巖的變形破壞，造成巷道安全事故。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)多年的理論研究、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和反饋完善，形成了一套比較科學(xué)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，即在對(duì)巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)詳細(xì)測(cè)試與整理的基礎(chǔ)上，根據(jù)煤礦巷道特點(diǎn)并結(jié)合數(shù)值模擬的方法，采用比較合理的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，后期進(jìn)行井下支護(hù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正和完善初始設(shè)計(jì)。其中，錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)是采用數(shù)值模擬結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、類(lèi)比等方法確定。通過(guò)數(shù)值模擬可以定量直觀地研究巷道圍巖移近量、應(yīng)力及破壞分布；各工程地質(zhì)因素、支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道圍巖變形與破壞的影響，從而合理優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。本文基于興隆煤礦實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，通過(guò)正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)模擬方案，研究三維條件下不同支護(hù)參數(shù)及支護(hù)形式對(duì)巷道變形破壞的影響規(guī)律。

1 巷道數(shù)值模型及變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

以興隆煤礦現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件為研究背景，采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型。數(shù)值模型外輪廓尺寸為40 m×60 m×34 m。矩形巷道沿煤層底板保留1 m煤皮掘進(jìn)，巷道寬6 m，高4 m。為了消除每個(gè)方向的邊界效應(yīng)，巷道在模型中部開(kāi)挖。模型單元體采用FLAC3D內(nèi)置的應(yīng)變軟化模型。

模型四周和底部采用位移限定邊界，即模型底面在豎直方向上速度為零，4個(gè)側(cè)面沿水平方向速度為零，模型頂面施加豎直向下的應(yīng)力邊界，沿Z軸負(fù)方向的主應(yīng)力為25 MPa，最大水平主應(yīng)力為15 MPa，最小水平主應(yīng)力為15 MPa，由于34 m高的模型垂直應(yīng)力僅相當(dāng)埋深1000 m模型的3.4%，故不考慮應(yīng)力梯度。在Y方向0～20 m平面范圍內(nèi)進(jìn)行錨桿支護(hù)，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，建立數(shù)值模型如圖1所示。

為了研究巷道頂板在開(kāi)挖后的變形情況，在巷道監(jiān)測(cè)段截面Y=10平面內(nèi)頂板上走向均勻布置13個(gè)頂板變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示；在巷道監(jiān)測(cè)段截面X=0平面內(nèi)頂板上傾向均勻布置20個(gè)頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

采用Cable結(jié)構(gòu)單元模擬頂板錨桿支護(hù)，錨桿自由段和錨固段的不同力學(xué)特性通過(guò)賦予不同的結(jié)構(gòu)單元力學(xué)參數(shù)體現(xiàn)，見(jiàn)表2，采用極大值法(將自由段端頭構(gòu)件參數(shù)設(shè)置為極大值來(lái)模擬錨桿托盤(pán))將預(yù)緊力施加于錨桿自由段。

圖1 數(shù)值模型

圖2 頂板變形傾向監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖3 頂板變形走向監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿力學(xué)參數(shù)

2 正交試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)與正交性原理研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，根據(jù)正交性挑選出部分有代表性的點(diǎn)，用正交表來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和分析試驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)這幾次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，找到最優(yōu)的或較優(yōu)的方案，用盡量少的試驗(yàn)得到最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果。正交試驗(yàn)法能夠有代表性地安排組織試驗(yàn)，比較全面地反映各因素、各水平對(duì)指標(biāo)影響的大致情況。

本文主要針對(duì)回采巷道錨桿支護(hù)參數(shù)及布置形式中的錨桿長(zhǎng)度、支護(hù)密度(間排距)、支護(hù)布置形式及預(yù)緊力4個(gè)因素。將此4個(gè)參數(shù)作為正交試驗(yàn)的4個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，因素和水平的變化情況見(jiàn)表3，錨桿布置形式如圖4所示。

表3 數(shù)值模擬試驗(yàn)水平因素表

圖4 頂板錨桿支護(hù)布置形式

采用4因素3水平的正交試驗(yàn)方案，建立9個(gè)FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，按照對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)號(hào)分別對(duì)每個(gè)模型施加相應(yīng)的錨桿支護(hù)參數(shù)及布置形式，監(jiān)測(cè)巷道開(kāi)挖后頂板位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并求得各模型的巷道頂板平均下沉量數(shù)據(jù)，具體方案和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 數(shù)值模擬試驗(yàn)方案

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用極差分析法分析數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果,極差分析法通過(guò)對(duì)每個(gè)因素的平均極差來(lái)分析問(wèn)題，極差的大小反映了該因素選取不同的水平時(shí)，水平變動(dòng)對(duì)指標(biāo)的影響大小。由表4求出各因素每個(gè)水平的均值和極差，可以得出如表5和表6所示的均值和極差分析結(jié)果。

表5 頂板走向平均下沉量極差分析

表6 頂板傾向平均下沉量極差分析

綜合表5、表6頂板平均下沉量極差分析的數(shù)據(jù)可知，錨桿支護(hù)密度(間排距)因素極差最大，其次是預(yù)緊力因素，然后是支護(hù)布置形式因素，長(zhǎng)度因素極差最小，即對(duì)頂板變形的重要性排序依次為支護(hù)密度、預(yù)緊力、布置形式、錨桿長(zhǎng)度。

(1)與其他錨桿支護(hù)參數(shù)相比，錨桿支護(hù)密度(間排距)對(duì)巷道頂板變形破壞影響最大。錨桿支護(hù)間排距過(guò)大，難以有效提高巷道頂板的整體承載能力和穩(wěn)定性，影響支護(hù)效果；提高支護(hù)密度，減小錨桿間排距，有利于提高頂板承載能力，控制圍巖變形量，從而增強(qiáng)頂板穩(wěn)定性。

(2)錨桿預(yù)緊力是錨桿支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。隨著預(yù)緊力的增大，巷道頂板變形下沉量顯著減小，對(duì)頂板的變形破壞有非常大的影響。這表明錨桿的預(yù)緊力應(yīng)是錨桿支護(hù)優(yōu)先考慮的參數(shù)。

(3)錨桿支護(hù)布置形式對(duì)頂板穩(wěn)定性也有顯著影響。錨桿支護(hù)布置形式?jīng)Q定了形成的穩(wěn)定區(qū)域面積的大小，及穩(wěn)定區(qū)域彼此咬合的緊密程度，試驗(yàn)證明在同等地質(zhì)條件下三花型布置的時(shí)候巷道頂板變形最小，說(shuō)明在這種布置形式下錨固區(qū)域穩(wěn)定性最強(qiáng)。

(4)錨桿長(zhǎng)度對(duì)巷道頂板變形破壞也有一定影響，錨桿長(zhǎng)度與圍巖變形量成反比例關(guān)系。不過(guò)，錨桿長(zhǎng)度加大到一定值后，再增加錨桿長(zhǎng)度對(duì)錨固體強(qiáng)度已無(wú)明顯作用。

4 結(jié)論

通過(guò)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)三維數(shù)值模擬分析，研究得到錨桿支護(hù)長(zhǎng)度、支護(hù)密度、布置形式及預(yù)緊力對(duì)巷道頂板變形破壞的影響程度。研究結(jié)果表明，錨桿支護(hù)密度是影響巷道頂板變形破壞最重要的參數(shù)；錨桿預(yù)緊力是巷道錨桿支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需要高度重視；錨桿支護(hù)布置形式、錨固長(zhǎng)度對(duì)巷道頂板的變形與破壞也有一定影響，但在當(dāng)前工程地質(zhì)條件下對(duì)頂板穩(wěn)定性的改善效果不如支護(hù)密度及預(yù)緊力。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Numericalsimulationoncoalmineroadwaysupportparametersin3Dconditionbasedonorthogonaltestmethod

Li Xiaoyu, Ding Nan, Jiang Lishuai

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China)

TD353

A

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51374139，51574155)，深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SKLGDUEK1725)

李小裕，丁楠，蔣力帥. 三維條件下煤礦巷道錨桿支護(hù)參數(shù)正交數(shù)值模擬研究 [J]. 中國(guó)煤炭，2017,43(9)：44-47. Li Xiaoyu, Ding Nan, Jiang Lishuai. Numerical simulation on coal mine roadway support parameters in 3D condition based on orthogonal test method [J]. China Coal，2017,43(9)：44-47.

李小裕(1993-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制。