淮北袁店二礦101運(yùn)輸巷圍巖表面變形數(shù)值分析

金燕燕 （安徽城市管理職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 工程概況

淮北袁店二礦位于安徽省濉溪縣與渦陽縣的交界處，行政區(qū)劃屬于渦陽縣和濉溪縣。101 運(yùn)輸巷道位于煤礦的中部，埋深H=-550m、設(shè)計(jì)原巖應(yīng)力P0=12MPa、采動(dòng)影響因子2.5，巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1，控制允許變形值100mm。開挖巷道斷面直墻半圓拱形式，矩形尺寸6000mm×1200mm，拱半徑3000mm。采用錨桿（索）支護(hù)方案，支護(hù)材料性能參數(shù)見表2。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)材料性能參數(shù)

2 數(shù)值模擬分析概述

2.1 建立模型

一般在ANSYS 數(shù)值模擬軟件中有實(shí)體模型和有限元模型兩種，其中由點(diǎn)、線、面和體組合而成的稱為實(shí)體模型，有限元模型僅包含節(jié)點(diǎn)和單元。本項(xiàng)目是先建立實(shí)體模型，再利用軟件中的網(wǎng)格劃分菜單將其劃分為有限元模型。

2.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS 屬于有限元分析軟件，有限元分析的基礎(chǔ)是單元。因此，將上述實(shí)體模型利用網(wǎng)格劃分工具劃分為節(jié)點(diǎn)及單元是必不可少的步驟?；幢痹甓V101 運(yùn)輸模擬巷道模型對(duì)圍巖外邊界劃分單位邊長為0.5mm，巷道邊界劃分單位邊長為0.1mm，總共劃分7536 個(gè)單元。

2.3.加載與求解

在ANSYS 有限元分析軟件中所謂的荷載不單單是狹義的力，還有廣義的力作為約束邊界條件?；幢痹甓V101 運(yùn)輸模擬巷道模型定義水平兩方向與豎直向上的方向位移為零即為固定約束，豎直向下作用一個(gè)均布荷載即原巖應(yīng)力。ANSYS 軟件程序中求解聯(lián)立方程的方法包括稀疏矩陣直接解法、直接解法、雅克比共軛等值法（JCG）、預(yù)條件共軛梯度法（PCG）、不完全喬類斯基共軛等值法（ICCG）、自動(dòng)迭代法（ITER）。本文中的模型采用自動(dòng)迭代法進(jìn)行求解。

3 不同錨桿（索）支護(hù)參數(shù)數(shù)值分析

深部巷道圍巖有松動(dòng)圈及塑性圈，在此理論基礎(chǔ)上控制深部軟巖變形應(yīng)采用錨噴支護(hù)形式，錨噴支護(hù)形式可以使添加的錨桿與圍巖成為整體共同作用，且打入的錨桿長度要大于松動(dòng)圈半徑，要使圍巖變形更小可以使錨桿大于塑性圈半徑。一般巷道埋深越大，巖性越差，從而松動(dòng)圈與塑性圈半徑越大。如錨深不足，可以采用噴錨網(wǎng)噴復(fù)合支護(hù)形式，并與外部支護(hù)形成聯(lián)合支護(hù)，使圍巖維持穩(wěn)定狀態(tài)。

余偉健等[1]提出由主壓縮拱和次壓縮拱共同構(gòu)成的疊加拱承載體力學(xué)模型，該力學(xué)模型主要是錨桿（索）配合主次壓縮拱形成一種新的力傳遞系統(tǒng)，可將其稱之為疊加拱結(jié)構(gòu)。

3.1 數(shù)值分析錨桿支護(hù)參數(shù)變化

淮北袁店二礦101 運(yùn)輸巷道設(shè)計(jì)的允許變形值較小，考慮采動(dòng)影響[2-5]，應(yīng)適當(dāng)采用錨桿支護(hù)措施。根據(jù)工程概況描述可知該巷道圍巖為泥巖，原巖應(yīng)力12MPa，巷道斷面尺寸應(yīng)用面積等效原理為R=3.014m。前文分析結(jié)果顯示巷道圍巖表面變形影響因素大小順序依次為巖性→原巖應(yīng)力→斷面尺寸，且對(duì)比各影響因素極差大小，巖性遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力及斷面尺寸。因此首先選取巖性為泥巖的組合，綜合大小及影響程度分析，淮北袁店二礦101 運(yùn)輸巷道開采條件最接近第12 組試驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)巷道圍巖變形較大應(yīng)采取錨桿支護(hù)，且巷道頂部需配合錨索支護(hù)，主要起到懸吊作用。

①未支護(hù)（m=0）

巷道圍巖在未添加任何支護(hù)時(shí)通過數(shù)值模擬分析，結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，巷道圍巖在無任何支護(hù)措施的情況下圍巖變形兩幫靠近底部最大，變形值為0.4172m，遠(yuǎn)超圍巖允許變形值。通過巷道圍巖塑性圈半徑分布圖可以看出變形較大部位在巷道的兩幫靠近底部及頂部，可以初步根據(jù)塑性圈半徑設(shè)計(jì)錨桿長度。

②L=2800mm（m=5）

本組設(shè)計(jì)參數(shù)錨桿長度2400mm，間排距2800mm×2800mm。通過數(shù)值模擬分析，結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，巷道圍巖變形豎直方向即頂部變形比較小，兩幫變形量最大，為0.1947m，大于該巷道圍巖允許變形。巷道底部塑性圈半徑對(duì)比未支護(hù)條件下的塑性圈半徑反而增大，說明錨桿添加的位置對(duì)圍巖的變形控制有一定的影響。錨桿支護(hù)參數(shù)不能滿足圍巖的穩(wěn)定性要求，應(yīng)增加錨桿密度，且錨桿應(yīng)盡快添加在圍巖兩幫靠近底部的位置。

③L=1400mm（m=9）

本組設(shè)計(jì)參數(shù)錨桿長度2400mm，間排距1400mm×1400mm。通過數(shù)值模擬分析，結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，巷道圍巖變形豎直方向即頂部變形比較小，兩幫變形量最大為0.1412m，略大于該巷道圍巖允許變形。所以，運(yùn)輸巷道在該密度下的錨桿支護(hù)仍不能滿足圍巖的穩(wěn)定性要求，應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加錨桿密度。

④L=700mm(m=17)

本組設(shè)計(jì)參數(shù)錨桿長度2400mm，間排距700mm×700mm。通過數(shù)值模擬分析，結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，巷道圍巖在錨桿密度增加后表面最大變形減少到0.0878m，在允許變形值以內(nèi)，說明巷道在該間排距條件下滿足要求。

3.2 最優(yōu)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)四組模擬分析結(jié)果，采用線性擬合分析方法確定淮北袁店二礦101 運(yùn)輸巷道在不同間排距的條件下圍巖變形大小規(guī)律，最后根據(jù)具體公式得出圍巖變形大小控制在100mm 時(shí)所需的間排距，即為最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

數(shù)據(jù)分析。圍巖表面最大變形U 隨間排距L的變化見表3，數(shù)據(jù)較好擬合公式見式（1）。

表3 圍巖表面變形U隨錨桿數(shù)量m變化

擬合曲線見圖1，且參數(shù)值分別為u0=0.0815、A=0.3350、t=4.8152。由曲線圖可以看出，巷道圍巖表面變形隨著錨桿數(shù)量的增加而減小，且減小的速率越來越小，即錨桿初步增加到5 根時(shí)圍巖表面變形減小較為顯著，當(dāng)錨桿增加到9 根后再繼續(xù)添加錨桿數(shù)量，巷道圍巖表面變形減小并不明顯，可以推斷錨桿增加到一定數(shù)量后再添加不會(huì)對(duì)圍巖變形產(chǎn)生有利影響。因此可以根據(jù)曲線函數(shù)在定義允許變形量后得出最優(yōu)支護(hù)參數(shù)，淮北袁店二礦101 運(yùn)輸巷道在允許變形為100mm時(shí)的錨桿參數(shù)：

圖1 圍巖變形隨錨桿數(shù)量變化規(guī)律

式（2）解得結(jié)果m=13.9，?。踡］=14根。

3.3 最優(yōu)支護(hù)參數(shù)模擬分析

由上節(jié)分析計(jì)算得出淮北袁店二礦101 運(yùn)輸巷道在實(shí)際開采條件下控制巷道圍巖穩(wěn)定性的錨桿最優(yōu)參數(shù)為14 根，巷道圍巖幫部變形最大，錨桿添加時(shí)盡量兩幫密集。結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，巷道在開采時(shí)會(huì)受采動(dòng)影響，頂部圍巖有下沉現(xiàn)象，可以適當(dāng)添加一定數(shù)量錨索支護(hù)，起到“懸吊”作用的效果。本次巷道頂部設(shè)計(jì)3 根錨索，采用數(shù)值分析軟件進(jìn)行最終圍巖變形驗(yàn)證，巷道斷面最優(yōu)支護(hù)參數(shù)示意及模擬模型如圖2 所示。軟件模擬巷道圍巖表面變形數(shù)據(jù)顯示，X方向變形圖可以看出巷道在該設(shè)計(jì)最優(yōu)參數(shù)條件下的最大變形為0.0966m，而圍巖的允許變形為0.1000m。可見在允許值范圍內(nèi)，有巷道塑性圈可以直接看出圍巖表面的塑性圈半徑較小，只有巷道兩幫底部稍大，在實(shí)際工程中應(yīng)采取一些積極措施加大對(duì)局部的支護(hù)。

圖2 巷道斷面支護(hù)示意圖

錨桿支護(hù)實(shí)質(zhì)上是通過將錨桿按一定的方法打入巖層中，使結(jié)構(gòu)物與巖體形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到抵抗圍巖表面變形的目的。錨桿支護(hù)理論上相對(duì)于傳統(tǒng)的支護(hù)形式屬于主動(dòng)支護(hù)，在實(shí)際應(yīng)用中具有施工方便、施工效率高、成本較低及支護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)。在操作過程中，錨桿需預(yù)先張緊裝入相應(yīng)的鉆孔中，以提高抵抗被加固巖體撓曲性和分層之間相對(duì)位移的能力。錨桿能夠緊固在巖層中主要是靠其與巖層之間的摩擦力，因此，在事先加大錨桿預(yù)緊力后，可以加大錨桿與巖石之間的摩擦力，從而使錨桿與巖體更加緊固。

4 小結(jié)

淮北袁店二礦101 運(yùn)輸巷道圍巖巖性較好，主要表現(xiàn)為泥巖性質(zhì)，巷道在未采取任何支護(hù)措施時(shí)變形比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許值。

巷道圍巖表面變形量隨支護(hù)反力的增大而減小，且滿足一定的函數(shù)關(guān)系，淮北袁店二礦101 運(yùn)輸巷道根據(jù)數(shù)值分析模擬，計(jì)算出圍巖變形控制在100mm時(shí)所需的斷面單排錨桿數(shù)量為14根。

針對(duì)淮北袁店二礦101 運(yùn)輸巷道，為克服“冒頂”現(xiàn)象，在巷道頂部布置3根錨索起到懸吊作用。

采用最優(yōu)方案進(jìn)行模擬分析最大變形值為96.6mm 接近100.0mm，表明數(shù)值分析方法對(duì)設(shè)計(jì)工程實(shí)際巷道圍巖錨桿支護(hù)最優(yōu)方案具有一定的參考價(jià)值。