基于FLAC3D的破碎圍巖巷道支護(hù)效果分析

雷衛(wèi)鋒

（陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

近年來(lái)，我國(guó)井工開采的煤礦不斷向埋深更深、地質(zhì)賦存條件更復(fù)雜的深部開采。

隨著礦井開采深度的不斷延伸，巷道圍巖應(yīng)力也在不斷地增加。巷道開挖過(guò)程中，低強(qiáng)度的圍巖因受到應(yīng)力擾動(dòng)而變得破碎，增加了巷道的支護(hù)難度[1]。目前，針對(duì)破碎圍巖巷道支護(hù)的相關(guān)研究較少，且不同礦區(qū)地下巖層特性差異較大，影響破碎圍巖支護(hù)方式選擇的因素較多[2-3]。為此，本文用數(shù)值模擬的方法，分析旺盛煤礦下工作面巷道不同圍巖支護(hù)方式的圍巖控制效果，旨在為破碎圍巖支護(hù)方式確定提供一定的參考。

1 工程背景

該礦區(qū)破碎圍巖巷道埋深為500 m 左右，經(jīng)地質(zhì)勘探得到頂板上覆巖層中由上至下依次為砂巖、高嶺石化的碎裂巖、黃崗巖、糜棱巖和灰?guī)r。其中砂巖厚度為8 m，高嶺石化的碎裂巖厚度為10 m，花崗巖厚度為12 m，糜棱巖和灰?guī)r的厚度均為10 m。巷道形狀為半圓拱形，其尺寸為3 900 mm×3 600 mm，半圓拱部分的半徑R=2 700 mm。該礦區(qū)在開采前期采用了木支護(hù)、預(yù)制混凝土和槽鋼支護(hù)等被動(dòng)支護(hù)方式，但未取得理想的支護(hù)效果，并且采用以上方式進(jìn)行支護(hù)后，圍巖的變形量較大，出現(xiàn)支護(hù)失效的問(wèn)題。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

考慮到該礦區(qū)內(nèi)破碎圍巖的強(qiáng)度較低，本文采用FLAC3D軟件分別分析了錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)和錨噴網(wǎng)和錨索耦合支護(hù)三種方式下的圍巖控制效果。模型尺寸為50 m×30 m×50 m，邊界條件設(shè)置為上部載荷P=γH=0.028×500=14 MPa，左右采用Y 方向位移約束,前后采用X 方向位移約束，底部采用固定約束的方式。模型中所采用的巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，巷道斷面圖及構(gòu)建完成后的模型如圖1（a）、圖1（b）所示。

圖1 巷道斷面圖及模型

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)匯總

2.2 支護(hù)參數(shù)

本文主要針對(duì)錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨噴網(wǎng)＋錨索耦合支護(hù)方式下的圍巖控制效果進(jìn)行分析，其支護(hù)參數(shù)如下：

（1）錨桿支護(hù)：間排距為1 000 mm，每排錨桿個(gè)數(shù)為9 根，距離底板1 000 mm。

（2）錨噴支護(hù)：錨桿間排距為1 000 mm，每排錨桿個(gè)數(shù)為9 根，距離底板1 000 mm。噴射混凝土的強(qiáng)度為C20，噴射厚度為50 mm。

（3）錨噴網(wǎng)＋錨索支護(hù)：錨桿間排距為1 000 mm，每排錨桿個(gè)數(shù)為8 根，距離底板1 000 mm；錨索長(zhǎng)度為6 m，直徑為21.5 mm，每排5 根；噴射混凝土的強(qiáng)度為C20，噴射厚度為50 mm。

本文所設(shè)計(jì)的錨桿均為樹脂型錨桿，利用經(jīng)驗(yàn)法并結(jié)合巷道斷面形狀確定錨桿尺寸為： 直徑20 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，間距為1 000 mm。三種支護(hù)方案中所用支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)如表2、表3所示。

表2 錨桿力學(xué)參數(shù)匯總

表3 錨索及混凝土力學(xué)參數(shù)匯總

3 分析與討論

利用FLAC3D軟件分別對(duì)以上三種支護(hù)方式下破碎圍巖巷道內(nèi)的應(yīng)力分布、 變形量以及塑性區(qū)范圍進(jìn)行了分析，其分析結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 不同支護(hù)方式下豎直方向應(yīng)力分布云圖

圖4 不同支護(hù)方式下塑性區(qū)分布云圖

如圖2所示，三種支護(hù)方式下，巷道所受應(yīng)力主要集中在頂板與底板位置，且表現(xiàn)為拉應(yīng)力。相比于錨桿支護(hù)方式，后兩者支護(hù)方式中頂板應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，且兩幫附近壓應(yīng)力影響范圍也遠(yuǎn)小于錨桿支護(hù)方式。通過(guò)對(duì)比圖2（b）和圖2（c）可以發(fā)現(xiàn)，兩種支護(hù)方式下在頂?shù)装逦恢锰幍睦瓚?yīng)力大小相差不大，但錨噴＋錨索支護(hù)方式下的構(gòu)造應(yīng)力影響范圍要小于錨噴支護(hù)。由此可知，采用錨噴＋錨索支護(hù)可以較好地發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，從而縮小圍巖內(nèi)應(yīng)力集中的影響范圍。

如圖3所示，采用錨桿支護(hù)方式時(shí)，頂、底板在豎直方向的位移量依次為113 mm 和125 mm；采用錨噴支護(hù)時(shí)，頂、 底板的位移量依次為90.6 mm 和115.8 mm；采用錨噴＋錨索耦合支護(hù)時(shí)，頂、底板的位移量?jī)H為40.3 mm 和76.2 mm。采用錨噴＋錨索耦合支護(hù)方式可以較好地減小頂?shù)装逦灰屏俊?/p>

圖3 不同支護(hù)方式下垂直位移分布云圖

如圖4所示，采用錨桿支護(hù)時(shí)，巷道頂?shù)装迓氏冗M(jìn)入塑性區(qū)，之后塑性區(qū)范圍轉(zhuǎn)移至兩幫以及兩幫與頂?shù)装褰唤缣?，并延伸至距離巷道壁10 m左右圍巖內(nèi)；采用錨噴支護(hù)時(shí)，巷道開挖初期的頂?shù)装搴蛢蓭途鶗?huì)產(chǎn)生塑性變形，隨著時(shí)間推移塑性區(qū)會(huì)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，此時(shí)塑性區(qū)范圍相比錨桿支護(hù)時(shí)明顯減小；采用錨噴＋錨索耦合支護(hù)時(shí)，巷道圍巖內(nèi)部塑性區(qū)范圍再次減小，但此時(shí)底板處出現(xiàn)拉伸應(yīng)變的塑性區(qū)范圍，隨著時(shí)間的推移，塑性區(qū)會(huì)轉(zhuǎn)移至底板與兩幫交界處。由此可見(jiàn)，采用錨噴支護(hù)后可以使圍巖處于相對(duì)穩(wěn)定的支撐狀態(tài)，但塑性區(qū)間較大；采用錨噴＋錨索耦合支護(hù)會(huì)縮小塑性區(qū)范圍，可以較好地控制圍巖變形。

4 結(jié)論

本文采用FLAC3D軟件針對(duì)破碎圍巖巷道在采用錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨噴＋錨索耦合支護(hù)三種支護(hù)方式下的巷道位移、 應(yīng)力分布及塑性區(qū)時(shí)空演變特征進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：

1）采用三種支護(hù)方式均會(huì)造成頂板與底板的應(yīng)力集中現(xiàn)象，不同支護(hù)方式下兩幫以及頂?shù)装逄幍臉?gòu)造應(yīng)力影響范圍為錨噴＋錨索＜錨噴＜錨桿支護(hù)。

2）分別采用錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)以及錨噴＋錨索耦合支護(hù)三種支護(hù)方式時(shí)，錨桿支護(hù)頂?shù)装逦灰屏孔畲?，錨噴＋錨索耦合支護(hù)時(shí)頂?shù)装逦灰屏孔钚?，錨噴支護(hù)介于二者之間，由此可知采用錨噴＋錨索耦合支護(hù)可以較好地控制頂?shù)装逦灰屏俊?/p>

3）錨桿支護(hù)方式會(huì)導(dǎo)致巷道兩幫和頂?shù)装褰粎R處處于較長(zhǎng)時(shí)間的塑性變形狀態(tài)，而采用錨噴支護(hù)可以使圍巖處于相對(duì)穩(wěn)定的支撐狀態(tài)，但塑性區(qū)間較大； 采用錨噴＋錨索耦合支護(hù)會(huì)縮小塑性區(qū)范圍，因此選用錨噴＋錨索耦合支護(hù)可以獲得較好的支護(hù)效果。