巷道吸能支護與圍巖協(xié)同作用仿真研究

陳雨韜

（遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000）

1 前言

隨著煤炭開采深度的不斷增加，開采環(huán)境變得越來越復雜，巷道支護問題日趨嚴峻。目前巷道支護主要有錨桿支護、錨索支護、噴射混凝土支護，其中錨桿、錨網(wǎng)支護等傳統(tǒng)支護方法在提高巷道穩(wěn)定性方面的效果較為明顯，但仍然存在一些缺點，比如，支護結構容易變形失穩(wěn)，對圍巖的控制效果較差等。為解決傳統(tǒng)支護存在的問題，吸能支護技術應運而生。吸能支護是通過吸收能量來保護圍巖穩(wěn)定，其主要是以柔性材料吸收巷道圍巖能量為特征的一種支護方式。吸能支護的優(yōu)點是可減少支護體發(fā)生失穩(wěn)的可能性，且對圍巖變形控制效果明顯。隨著深部開采的不斷增加和地質條件的不斷復雜，巷道圍巖應力和變形受到的擾動越來越大，傳統(tǒng)支護會因為應力集中導致失穩(wěn)破壞發(fā)生。吸能支護利用柔性材料吸收能量來減少巷道圍巖應力集中、減小變形從而控制巷道圍巖失穩(wěn)破壞。采用正交試驗法，通過數(shù)值模擬試驗研究不同吸能支護參數(shù)對巷道圍巖應力、變形和塑性區(qū)的影響規(guī)律。為確定吸能支護與圍巖協(xié)同作用的最佳參數(shù)組合，實現(xiàn)吸能支護與圍巖協(xié)同作用最大化提供依據(jù)。

1.1 數(shù)值模型

采用ABAQUS 數(shù)值模擬軟件，建立了以巷道為研究對象的數(shù)值模型，模型尺寸為8m×4m×5m，巷道頂板采用實體單元模擬，底板為連續(xù)彈性介質。采用莫爾-庫侖準則，忽略巷道上覆巖層重量，支護材料的彈性模量取值100GPa。巷道兩側均為實體墻，底部和兩幫為厚度為1m 的實體混凝土，頂板和兩幫均為厚度為5m 的混凝土。

計算模型中主要考慮了以下因素：（1）巷道斷面形狀，采用正方形斷面；（2）考慮了地應力和巖層自重的影響；（3）計算模型尺寸和邊界條件。由于圍巖強度較高，其彈性模量取值為100GPa。計算模型中采用了9 節(jié)點六面體單元（SOLID45）模擬圍巖內部的接觸關系。由于巷道的開挖使圍巖內部產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，且巷道開挖后，圍巖中會產(chǎn)生裂縫等損傷區(qū)域，所以在計算過程中設置了部分的損傷單元。

1.2 模擬方案

以巷道吸能支護參數(shù)為研究對象，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件進行建模，巷道頂板為均質實體圍巖，底板為泥巖。在巷道布置過程中，需要考慮巷道開挖過程中的應力、位移及塑性區(qū)分布規(guī)律。由于采用了數(shù)值模擬軟件FLAC3D，因此在數(shù)值模擬前，需要將模型進行網(wǎng)格劃分。通過計算可得，在水平方向上的應力云，在垂直方向上的應力云。根據(jù)計算結果，確定了7 個正交試驗方案。

正交試驗方案是選取3 個水平的三因素三水平組合進行試驗分析，因此選擇5 個水平（a、b、c、d、e）進行正交試驗。其中a 為3 個水平的順序編號；b 為3個水平的最優(yōu)組合；c 為3 個水平的最差組合；d 為3個水平的最次組合；e 為3 個水平的最好組合。

在數(shù)值模擬中采用單因素分析法，分別將3 個水平的吸能支護參數(shù)設置為：（a）頂板采用高強度預應力錨桿支護；（b）底板采用高強度預應力錨桿+長錨索支護；（c）巷道頂部采用高強預應力錨桿+長錨索+高強度預應力錨桿支護。通過計算得出吸能支護參數(shù)對巷道圍巖應力、變形及塑性區(qū)分布規(guī)律的影響，得出了巷道吸能支護參數(shù)對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在吸能支護參數(shù)確定后，分別將吸能支護參數(shù)設置為4 種水平（a、b、c、d）進行數(shù)值模擬分析。即：（a）吸能支護參數(shù)為4；（b）吸能支護參數(shù)為3；（c）吸能支護參數(shù)為2；（d）吸能支護參數(shù)為1。通過對比分析可知，4 種方案的巷道圍巖應力分布規(guī)律、塑性區(qū)分布規(guī)律以及最大主應力差變化規(guī)律基本一致。

1.3 結果分析

分析結果表明，各因素對巷道圍巖塑性區(qū)分布和最大主應力的影響順序為：W＞H＞C＞D。吸能支護對巷道圍巖塑性區(qū)分布影響很大，隨著W 和H 的增大，巷道圍巖塑性區(qū)范圍逐漸增大；隨著C 的增大，巷道圍巖塑性區(qū)范圍逐漸減小。在支護前后圍巖塑性區(qū)面積比不變的情況下，W 和H 越大，塑性區(qū)面積越??；當W 和H 一定時，圍巖塑性區(qū)面積隨著C 的增加而逐漸減小。隨著吸能支護W 和H 的增加，巷道頂板圍巖最大主應力逐漸減小；當吸能支護W 和H 一定時，隨著吸能支護W 和H 的增加，頂板圍巖最大主應力先增大后減小；當吸能支護W 和H一定時，隨著吸能支護W 和H 的增加，頂板圍巖最大主應力先增大后減小。在影響巷道圍巖塑性區(qū)分布的因素中，錨桿長度對巷道圍巖塑性區(qū)分布影響較大。在其他條件不變的情況下，隨著錨桿長度的增大，巷道圍巖最大主應力先增大后減??；當錨桿長度一定時，隨著錨桿長度的增加巷道圍巖最大主應力先增大后減小。綜合以上結果可知，當W 和H 一定時，吸能支護對巷道圍巖塑性區(qū)分布影響很小。

2 工程概況

黃陵二號煤礦位于陜西省銅川市耀州區(qū)境內，設計能力為200 萬噸/年，開拓方式為一翼直采一翼斜切，是黃陵礦區(qū)首個機械化開采的礦井，目前已形成了“三硬”煤柱條件下的采煤工藝，其中一翼為緩傾斜煤層，二、三翼為采區(qū)內的主采煤層。在該礦采掘過程中，由于受煤層地質條件變化及生產(chǎn)接續(xù)等因素影響，回風巷道經(jīng)常發(fā)生變形破壞、嚴重失穩(wěn)等問題。受上述因素影響，回風巷道支護難度大，施工效率低。

目前，煤礦巷道主要采用錨網(wǎng)噴、錨索支護，錨索支護強度大、質量高、施工方便，但存在施工效率低、巷道成型質量差等問題。為解決這些問題，黃陵二號煤礦在原有巷道支護工藝的基礎上進行了升級改造。采用了一種新型的吸能支護形式：采用鋼帶作為吸能支護材料，其優(yōu)點是鋼帶可以在巷道發(fā)生變形時及時承載并吸收能量，從而形成一種具有一定抗變形能力的吸能支撐結構，進而起到對巷道圍巖的穩(wěn)定作用。吸能支護使用一種新型的鋼帶作為吸能支護材料。采用數(shù)值模擬軟件建立吸能支護數(shù)值模型對不同吸能支護參數(shù)下巷道圍巖的應力、變形及塑性區(qū)進行研究分析。吸能支護系統(tǒng)主要由錨桿、鋼帶、錨索組成。

數(shù)值模擬采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件進行建模和分析。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域具有很強的軟弱性，巷道圍巖基本為泥巖、砂質泥巖和砂質粉砂巖等軟弱巖層組成，屬強不穩(wěn)定巖石。采用了三種不同的支護形式：（1）錨桿+鋼帶+錨索支護；（2）錨桿+鋼帶+錨索支護；（3）鋼帶+錨索支護。通過數(shù)值模擬分析可知：在正常施工條件下，吸能支護系統(tǒng)不會對巷道圍巖造成明顯影響；在采空區(qū)進行回采作業(yè)時，巷道圍巖將會產(chǎn)生較大變形；隨著采掘的進行，圍巖的變形量也會逐漸增加；當采空區(qū)的回采結束后，巷道圍巖變形將會得到有效控制。

3 模型建立

（1）建模前準備。本文采用FLAC3D 軟件建立模型，利用UDEC 數(shù)值模擬軟件建立巷道模型，并進行數(shù)值模擬分析。使用FLAC3D軟件對不同支護方案進行數(shù)值模擬，分析巷道吸能支護與圍巖協(xié)同作用機理，對吸能支護方案進行優(yōu)化，確定最佳的吸能支護參數(shù)。

（2）巷道模型建立。根據(jù)黃陵二號煤礦的實際情況，采用三維實體建模，并利用UDEC 數(shù)值模擬軟件進行數(shù)值模擬分析。

（3）吸能支護參數(shù)確定。在數(shù)值模擬中，巷道吸能支護采用了兩種方案：①用鋼筋混凝土和吸能板組合的吸能支護方案；②在圍巖中打錨桿、錨索組合的吸能支護方案。錨桿、錨索長度分別為500mm 和1200mm。鋼筋混凝土厚度為100mm，吸能板厚度為50mm，吸能板端部和中部的厚度各為100mm。

（4）網(wǎng)格劃分。本文巷道圍巖采用強度折減系數(shù)法進行模擬，即取圍巖強度折減系數(shù)β=1/（1-β）。該方法計算出的結果更接近于實際情況。

（5）開挖步驟。對巷道進行開挖，開挖方式采用線性開挖方式，即每隔10m 設置一道人工錨桿。

（6）計算參數(shù)取值。根據(jù)黃陵二號煤礦實際情況，巷道埋深為800m，采用彈性力學理論進行計算；巷道圍巖應力取圍巖表面最大應力值；采用強度折減系數(shù)β=1/（1-β）；模擬巖體中設置錨桿、錨索組合吸能支護方案。

3.1 模擬結果對比分析

在相同條件下，兩種支護方案的巷道圍巖位移、應力分布都是類似的，說明兩種支護方案均能有效控制巷道圍巖的變形，但不同的是，兩種支護方案下的錨桿受力及錨索受力差別很大。在相同條件下，兩種支護方案下的錨桿受力和錨索受力差別很大，這是因為在圍巖中打錨桿、錨索時，由于圍巖內部裂隙發(fā)育、應力集中等因素的影響，圍巖中部分錨桿桿體已經(jīng)失效或只有少部分桿體可以正常工作，而不能發(fā)揮其應有的作用。因此在圍巖中打錨桿、錨索時要加強支護，防止發(fā)生支護失效或不支護而發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?。兩種方案下的錨桿受力差別很大。在相同條件下，兩種支護方案下的錨桿、錨索受力差別很大，說明在巷道圍巖中打錨桿、錨索時要加強支護。

3.2 優(yōu)化方案

（1）根據(jù)巷道圍巖應力分布情況，確定優(yōu)化方案。通過模擬不同錨桿、錨索長度時巷道圍巖應力分布情況，并將不同錨桿、錨索長度下的巷道圍巖應力分布情況進行比較分析，確定最佳的吸能支護方案。隨著錨桿、錨索長度的增加，巷道圍巖最大拉應力、最大壓應力和最大剪應力均有增加。說明增加錨桿、錨索長度可以增加巷道圍巖的承載能力。

（2）對不同支護方案進行模擬，對比分析。當巷道圍巖內設置多道人工錨桿時，隨著人工錨桿數(shù)量的增加，巷道圍巖中的最大拉應力和最大壓應力均在逐漸增加；當人工錨桿數(shù)量達到一定程度時，巷道圍巖的最大拉應力和最大壓應力不再變化。同時，巷道圍巖中的最大拉應力和最大壓應力均小于圍巖內設置的錨桿、錨索數(shù)量。說明在吸能支護作用下，圍巖的承載能力得到了進一步加強。

（3）采用數(shù)值模擬方法對優(yōu)化后方案進行驗證。在圍巖中打吸能板后，對不同支護方案進行模擬。說明巷道圍巖中設置多道人工錨桿后，隨著人工錨桿支護作用的發(fā)揮，圍巖中的最大拉應力、最大壓應力均有所減小，表明吸能支護與圍巖協(xié)同作用機理得到了進一步的證實。

3.3 優(yōu)化結果

首先，從數(shù)值模擬結果來看，兩種吸能支護方案在一定程度上提高了圍巖的承載能力，使其達到了更好的平衡。其中，錨桿的支護效果較好，可以提高圍巖的穩(wěn)定性；錨索支護效果相對較差，但錨索的承載能力較強，可以將圍巖中的應力向圍巖內部轉移。其次，從位移場分布情況來看，兩種方案位移場分布基本一致。不同之處在于，錨桿方案在頂板上方形成了一個非常明顯的能量區(qū)域；錨索方案頂板上方出現(xiàn)了兩個能量區(qū)域，在頂板上方形成了一個能量較高的區(qū)域。這是由于錨索方案產(chǎn)生了大量能量向頂板傳遞；而錨桿方案產(chǎn)生的能量較少，圍巖中主要產(chǎn)生能量為巖石內部。最后，從塑性區(qū)分布情況來看，兩種支護方案塑性區(qū)分布均為三個主要區(qū)域，即頂板上方、兩幫和底板區(qū)域。其中錨桿方案下圍巖的塑性區(qū)主要分布在頂板上方，而錨索方案下圍巖的塑性區(qū)主要分布在兩幫和底板區(qū)域。因此，兩種支護方案均可以有效地提高圍巖的承載能力。

4 仿真結果及分析

4.1 不同吸能支護參數(shù)組合的應力場分布規(guī)律

在不同吸能支護參數(shù)組合下，圍巖應力分布情況差異很大，變化規(guī)律不明顯。采用相同的吸能支護參數(shù)時，隨著吸能支護體彈性模量的增大，圍巖應力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；而吸能支護參數(shù)不同時，在一定范圍內對圍巖應力的影響不明顯。另外，在相同吸能支護參數(shù)組合下，隨著錨桿長度的增大，圍巖應力和塑性區(qū)范圍也隨之增大。其中，采用相同錨桿長度時，圍巖塑性區(qū)最大值出現(xiàn)在錨桿中部位置；采用不同錨桿長度時，圍巖塑性區(qū)最大值出現(xiàn)在錨桿端部位置。這說明了在一定范圍內錨固長度對巷道圍巖塑性區(qū)有影響。

隨著吸能支護參數(shù)的增加，巷道圍巖應力逐漸減?。晃苤ёo參數(shù)不同時，巷道圍巖應力變化趨勢基本一致；在相同吸能支護參數(shù)組合下，隨著錨桿長度的增大，巷道圍巖應力逐漸減小。這說明在一定范圍內增加錨桿長度對提高圍巖強度和承載能力有顯著作用。另外，在相同錨桿長度時，隨著錨固長度的增大，巷道圍巖應力呈先減小后增大趨勢；在相同錨固長度時，隨著吸能支護參數(shù)的增加，巷道圍巖應力逐漸減小。這說明吸能支護參數(shù)對圍巖位移場的影響程度和作用效果隨著支護參數(shù)的不同而不同。這說明在一定范圍內增加吸能支護參數(shù)可以減小圍巖塑性區(qū)范圍。

4.2 不同錨固長度對圍巖變形和承載能力的影響

采用相同的吸能支護參數(shù)時，隨著錨固長度的增大，巷道圍巖的位移場、塑性區(qū)范圍也隨之增大；在相同錨固長度時，隨著吸能支護參數(shù)的增加，巷道圍巖的位移場減?。贿@說明在一定范圍內，增加錨固長度對巷道圍巖變形和承載能力有顯著作用。在實際工程中，由于巷道圍巖變形量很大，增加錨桿長度能有效地控制巷道變形，但隨著錨固長度的增大，支護效果不明顯。這是因為：在一定范圍內增加錨固長度可以提高支護效果；但是，在一定范圍內增加錨固長度會使支護成本提高，所以在實際工程中，應綜合考慮技術可行性和經(jīng)濟性。當吸能支護體彈性模量一定時，隨著吸能支護參數(shù)的增加，巷道圍巖位移場、塑性區(qū)范圍均呈增大趨勢。

4.3 吸能支護與圍巖協(xié)同作用分析

在相同條件下，吸能支護參數(shù)不同時，圍巖位移場表現(xiàn)出明顯差異，圍巖位移場變化趨勢也存在很大差異。其中在相同條件下，隨著吸能支護參數(shù)的增加，圍巖位移場呈逐漸減小的趨勢；而在相同條件下，隨著吸能支護參數(shù)的增加，圍巖位移場變化趨勢也隨之變化。綜上所述，采用不同的吸能支護參數(shù)組合時，圍巖位移場和應力場變化規(guī)律基本一致；當吸能支護參數(shù)相同時，圍巖位移場和應力場變化規(guī)律也基本一致。

4.4 錨桿支護與吸能支護參數(shù)優(yōu)化

（1）基于對不同錨桿支護與吸能支護參數(shù)下，巷道圍巖應力及塑性區(qū)分布規(guī)律的分析，在保證吸能支護效果的基礎上，選擇吸能支護參數(shù)為：錨桿長度為800mm、直徑為12mm，長度為500mm、直徑為9mm。

（2）在巷道頂板圍巖中設置6 根錨桿，每根錨桿間距為400mm，根據(jù)上述的結果繪制出了巷道頂板圍巖位移場及塑性區(qū)分布曲線圖。

在巷道頂板未設置吸能支護時，頂板圍巖位移值在588～722mm。當吸能支護參數(shù)為：錨桿長度為800mm、直徑為12mm 時，頂板圍巖位移量最小，在此基礎上，又增加錨桿長度和直徑進行對比分析。隨著錨桿長度的增加，頂板位移量減小。當錨桿長度從800mm 增加到722mm 時，頂板位移量減小了48.4%；當錨桿長度從800mm 增加到722mm 時，頂板位移量減小了30.1%。說明在一定范圍內增加錨桿長度可以降低巷道頂板位移量。在相同的吸能支護參數(shù)組合下，增加錨桿長度能夠有效降低巷道頂板位移量。

4.5 數(shù)值模擬結果驗證

通過對不同支護參數(shù)組合下，巷道圍巖塑性區(qū)和最大主應力分布的數(shù)值模擬，得出了在相同條件下，不同支護參數(shù)組合對圍巖位移場的影響規(guī)律。將模擬結果與實際巷道圍巖位移場進行對比分析，驗證了數(shù)值模擬結果的正確性。

在相同的支護參數(shù)組合下，巷道圍巖的最大主應力呈線性分布，并且峰值出現(xiàn)在巷道兩側端部位置。隨著支護參數(shù)的增加，巷道圍巖應力分布逐漸趨于穩(wěn)定；而吸能支護參數(shù)不同時，巷道圍巖應力分布情況差異很大。這說明吸能支護與圍巖協(xié)同作用效果隨著錨固長度的增加而不同。另外，從圖中可以看出：在相同支護參數(shù)組合下，吸能支護與圍巖協(xié)同作用效果隨吸能支護體彈性模量增大而減小。這說明在相同支護參數(shù)下，隨著吸能支護體彈性模量增加，吸能支護與圍巖協(xié)同作用效果呈線性減小。

5 結語

（1）吸能支護與圍巖協(xié)同作用的最佳參數(shù)組合為：錨桿（索）直徑d=13mm，錨桿間排距s=0.75m，樹脂錨固劑強度fp=0.12MPa，樹脂錨固劑長度L=4m。采用此參數(shù)組合對巷道進行支護，能夠有效地控制巷道圍巖的變形。

（2）吸能支護參數(shù)對圍巖應力影響程度的大小關系為：樹脂錨固劑強度fp＞錨桿（索）直徑d＞錨桿間距s＞錨固劑長度L；吸能支護參數(shù)對圍巖塑性區(qū)影響程度的大小關系為：樹脂錨固劑強度fp＞錨桿（索）直徑d＞錨固長度L。此參數(shù)組合下的巷道圍巖應力較小，塑性區(qū)分布合理，實現(xiàn)了吸能支護與圍巖協(xié)同作用的最大化。