新集二礦支護(hù)技術(shù)數(shù)值模擬研究

劉志超

摘 要：【目的】為了探究當(dāng)前支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，減小巷道的變形，使工程順利進(jìn)行?！痉椒ā勘狙芯恳孕录V某巷道作為工程背景，運(yùn)用FlAC3D軟件對(duì)三條巷道進(jìn)行模擬分析，并對(duì)預(yù)計(jì)的支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬?！窘Y(jié)果】最終得出三條巷道整體支護(hù)效果良好，變形量在合理范圍內(nèi)，但個(gè)別巷道受掘進(jìn)、采動(dòng)影響變形破壞較嚴(yán)重。【結(jié)論】針對(duì)此結(jié)果應(yīng)單獨(dú)加強(qiáng)后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以使該支護(hù)設(shè)計(jì)方案在項(xiàng)目中可以達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；多條巷道；錨桿支護(hù)；錨索支護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD353? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）09-0049-05

Abstract： [Purposes] In order to explore the rationality of the current support design， reduce the deformation of the roadway and make the project proceed smoothly.[Methods] In this study， a roadway in Xinji No.2 Mine was used as the engineering background. The three roadways were simulated and analyzed by using FlAC3D software， and the expected support design scheme was used for numerical simulation.[Findings] Finally， it is concluded that the overall support effect of the three roadways is good， and the deformation is within a reasonable range， but the deformation and failure of individual roadways are serious due to excavation and mining. [Conclusions] In view of this result， the later reinforcement support is strengthened separately， so that the support design scheme can achieve the expected effect in the project.

Keywords： numerical simulation; multiple roadways; bolt support; anchor support

1 工程概況

新集二礦210813里風(fēng)巷、機(jī)巷和210818底板巷井下位置位于二水平東翼2108采區(qū)。巷道斷面形狀有拱形和梯形斷面，風(fēng)巷和機(jī)巷處于8煤層中，底板巷主要位于7-1煤層及其頂、底板巖石層位中，煤層埋深在700～750 m范圍內(nèi)，7、8、9煤平均開(kāi)采厚度分別為2.50 m、3.17 m和1.08 m。由于三個(gè)煤層中巷道掘進(jìn)、開(kāi)采對(duì)其巷道有反復(fù)擾動(dòng)影響，二次擾動(dòng)效應(yīng)影響導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力分布情況更加復(fù)雜，支護(hù)難度也相應(yīng)提升。為解決二次擾動(dòng)現(xiàn)象造成的影響，對(duì)7、8、9煤巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)極限平衡理論計(jì)算新集二礦7、8、9煤巷道支護(hù)參數(shù)，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，選取適當(dāng)?shù)牟牧弦?guī)格［1-10］。230818底板巷巷道支護(hù)設(shè)計(jì)形式如圖1所示。由于230813風(fēng)巷、230813機(jī)巷巷道斷面尺寸形式與該底板巷巷道差異不大，且有一個(gè)梯形斷面，基于該巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而分析在該支護(hù)方案下巷道間的相互影響和巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

基于不同影響因素的研究需求，根據(jù)新集二礦7、8、9煤地質(zhì)采礦條件，建立FLAC3D數(shù)值分析模型，模型x向長(zhǎng)160 m，y向長(zhǎng)40 m，模型高度68.6 m。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，水平應(yīng)力按靜水壓力設(shè)置。模型采用摩爾-庫(kù)倫（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則見(jiàn)式（1）。

模擬時(shí)錨桿和錨索等結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)，全部按照礦方常用支護(hù)材料和原支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)所采用的材料參數(shù)計(jì)算，若無(wú)相關(guān)材料（比如原支護(hù)沒(méi)有錨索支護(hù)），則該參數(shù)選用設(shè)計(jì)方案中所選用的材料參數(shù)來(lái)替代。而巖層的力學(xué)參數(shù)則根據(jù)礦方地質(zhì)資料來(lái)確定，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)的條件差異，對(duì)部分巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬所取的巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

為使模擬結(jié)果更貼近實(shí)際情況，按照礦方真實(shí)施工順序，先進(jìn)行9煤煤層的開(kāi)挖支護(hù)，在9煤回采期前完成7-1煤底板巷的施工，之后進(jìn)行9煤的回采，然后8煤掘進(jìn)支護(hù)，再開(kāi)采，由于軟件中無(wú)法將各個(gè)步驟清晰地展現(xiàn)，在模擬中通過(guò)模擬開(kāi)采掘進(jìn)順序，來(lái)施加應(yīng)力達(dá)到理想效果。由于本項(xiàng)目研究重點(diǎn)為巷道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)效果，考慮到三種不同斷面尺寸、形狀的巷道在同一模型中建模的復(fù)雜性，為提高運(yùn)算速度，且更直觀地反映巷道在支護(hù)作用下圍巖的穩(wěn)定影響，將風(fēng)巷、機(jī)巷簡(jiǎn)化為矩形巷道。相較于拱形巷道，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的依賴(lài)性更高，相對(duì)于梯形斷面，效果大致相同，底板巷的斷面形狀不做改動(dòng)，數(shù)值模擬模型體現(xiàn)效果如圖2所示。

3.2 不同巷道應(yīng)力對(duì)比分析

三條巷道圍巖水平和垂直應(yīng)力和分布曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可以看出以下幾個(gè)方面。

①底板巷巷道兩幫附近的應(yīng)力集中區(qū)域逐漸后移且不斷增大。巷道頂?shù)装逅綉?yīng)力不斷減小，相較于不同位置的三條巷道，在豎直方向上的兩條巷道頂?shù)装逅綉?yīng)力受兩條巷道距離影響，底板巷巷道地應(yīng)力的增大，水平應(yīng)力隨之增加；相較于8煤中兩條鄰近巷道而言，風(fēng)巷受到7煤底板巷的影響，因此水平應(yīng)力相比于機(jī)巷較大，水平應(yīng)力峰值達(dá)到22 MPa，底板巷水平應(yīng)力峰值達(dá)到19.8 MPa，機(jī)巷水平應(yīng)力最小，為19.4 MPa。

②處在8煤層的風(fēng)巷和機(jī)巷之間，距巷道幫部2 m處存在應(yīng)力增大區(qū)域，并在巷道頂角與底角處存在的應(yīng)力集中區(qū)域相連接，且這種現(xiàn)象在大斷面巷道處更為明顯。由此現(xiàn)象可以得出，若巷道間距的進(jìn)一步減小，巖柱側(cè)幫部應(yīng)力增大區(qū)域與頂角和底角處應(yīng)力集中區(qū)域相貫通，巖柱內(nèi)垂直應(yīng)力將進(jìn)一步增大。

③對(duì)7煤層底板巷而言，與8煤風(fēng)巷右?guī)蛻?yīng)力增大區(qū)域相貫通，側(cè)幫巖柱整體處于較大垂直應(yīng)力之中，且7煤底板巷由于和8煤風(fēng)巷位于同一垂直方向上，受采動(dòng)和地應(yīng)力影響，底板巷所受垂直應(yīng)力較大，幫部垂直應(yīng)力較為集中。

④底板巷幫部垂直應(yīng)力峰值大于風(fēng)巷和機(jī)巷，其中巖柱側(cè)應(yīng)力峰值大于非巖柱側(cè)，且巷道間距越小，巖柱側(cè)幫部集中應(yīng)力峰值越大，對(duì)比差異更為明顯。其中底板巷幫部垂直應(yīng)力峰值為32.5 MPa，明顯大于非巖柱側(cè)應(yīng)力峰值，巖柱整體處于高應(yīng)力之下，嚴(yán)重影響了巷道圍巖的穩(wěn)定性；風(fēng)巷和機(jī)巷垂直應(yīng)力峰值差別不大，風(fēng)巷最高32 MPa，機(jī)巷峰值最高為31 MPa，應(yīng)力峰值相近，周?chē)鷩鷰r所受鄰近硐室的影響較小。

3.3 不同巷道位移對(duì)比分析

三條巷道圍巖水平、垂直位移分布如圖4所示，由圖4可以看出以下幾個(gè)方面。

①對(duì)于8煤巷道而言，底板圍巖位移明顯小于頂板圍巖位移，7煤層中底板巷底板圍巖位移量較頂板相對(duì)較多，破壞也比較嚴(yán)重。8煤層中，機(jī)巷底臌量較大，峰值達(dá)到49 mm，風(fēng)巷底臌量最大達(dá)到40 mm，而7煤層中底板巷底臌量最大41.5 mm。由此可知，相對(duì)于矩形巷道和拱形巷道，拱形巷道斷面尺寸相對(duì)較大，且所處位置地應(yīng)力也相對(duì)較大，受各種外部因素影響，圍巖破壞相對(duì)更加明顯，但由于底板巷支護(hù)采用的錨桿錨索數(shù)量較多，有效地抑制了圍巖變形，因此該支護(hù)方案效果較好。而機(jī)巷由于斷面尺寸比風(fēng)巷稍大，在相同的支護(hù)方式下，圍巖變形量也隨之增加。

②鄰近巷道對(duì)幫部圍巖位移量無(wú)明顯影響，左右兩幫位移量相對(duì)接近，相較于單一巷道而言，整體位移量要大于單一巷道圍巖位移量，對(duì)于單一巷道底板巷圍巖位移峰值最大為55 mm，而風(fēng)巷左右兩幫位移量相對(duì)較大，右?guī)头逯底畲鬄?20 mm，左幫峰值為111 mm，機(jī)巷幫部位移量相對(duì)較小，左幫位移峰值為102 mm，右?guī)臀灰品逯禐?0 mm?？梢钥闯?，位于8煤層中的風(fēng)巷左右兩幫圍巖位移量最大，這是由于其受鄰近巷道和7煤正下方的底板巷影響。因此在后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)中應(yīng)考慮加強(qiáng)風(fēng)巷的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

③頂板圍巖變形量最大的為8煤層中的風(fēng)巷，最大下沉量為83 mm，其次為機(jī)巷，最大下沉量為74.8 mm，7煤層中的底板巷頂板下沉量最小，最大下沉量為36.8 mm。風(fēng)巷下方受7煤掘進(jìn)開(kāi)采影響，加上地應(yīng)力作用，相較機(jī)巷而言頂板下沉量較大，其中圍巖變形最為穩(wěn)定的是底板巷。由于底板巷為拱形巷道，其自身承載能力在形狀上優(yōu)于風(fēng)巷和機(jī)巷這種矩形斷面，且底板巷的支護(hù)結(jié)構(gòu)也優(yōu)于風(fēng)巷和機(jī)巷，因此底板巷支護(hù)效果尤為明顯。

3.4 不同巷道塑性區(qū)對(duì)比分析

三條巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

由圖5可以看出7煤巷道斷面形狀為拱形，承壓能力較好；8煤風(fēng)巷和機(jī)巷塑性區(qū)范圍較大；整體來(lái)看幫部塑性區(qū)范圍大于頂、底板塑性區(qū)。

4 礦壓監(jiān)測(cè)

巷道掘進(jìn)后，大約25 d后趨于穩(wěn)定，風(fēng)巷頂板變形量為80～90 mm；底板變形不大，大約為33 mm；兩幫的變形量為201 mm；機(jī)巷頂板變形量為600～700 mm；底板變形不大，大約為40 mm；兩幫的變形量大約為190 mm；底板巷頂板變形量為35～40 mm；底板變形不大，大約為34 mm；兩幫的變形量大約為192 mm；沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不良現(xiàn)象。

5 結(jié)論

由上述數(shù)值模擬分析可以得出以下結(jié)論。

①對(duì)比三條試驗(yàn)巷道的水平應(yīng)力可知，由于風(fēng)巷受到7煤底板巷的影響，水平應(yīng)力相比于機(jī)巷較大，底板巷和風(fēng)巷相互影響，因此底板巷的水平應(yīng)力較機(jī)巷略大。

②對(duì)比三條試驗(yàn)巷道的垂直應(yīng)力可知，7煤層底板巷與8煤風(fēng)巷右?guī)蛻?yīng)力增大區(qū)域相貫通，側(cè)幫巖柱整體處于較大垂直應(yīng)力中，且7煤底板巷由于和8煤風(fēng)巷位于同一垂直方向上，受采動(dòng)和地應(yīng)力影響，底板巷所受垂直應(yīng)力較大，幫部垂直應(yīng)力較為集中，底板巷所受垂直應(yīng)力相對(duì)較大，三條巷道垂直應(yīng)力差異不明顯。

③對(duì)比三條試驗(yàn)巷道的位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)，分析幫部和頂?shù)装逦灰谱兓?guī)律，整體上看變形量最小的是7煤層的底板巷，最大的是8煤風(fēng)巷，變形量與巷道斷面形狀、尺寸、支護(hù)結(jié)構(gòu)和鄰近巷道的影響有著密不可分的聯(lián)系。

④由上述分析可以看出，三條巷道整體支護(hù)效果良好，變形量在合理范圍內(nèi)，個(gè)別巷道受掘進(jìn)、采動(dòng)影響變形破壞較嚴(yán)重，應(yīng)單獨(dú)加強(qiáng)后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。該支護(hù)設(shè)計(jì)方案在本項(xiàng)目中已達(dá)到預(yù)期效果。

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