大傾角松軟厚煤層巷道優化設計及數值分析

楊仁樹，朱衍利,2，吳寶楊，郭東明，王雁冰，韓朋飛

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.山西大遠煤業有限責任公司，山西 忻州 035100)

煤炭作為我國的主要能源，在國民經濟建設中具有重要的戰略地位。在我國礦井中，大傾角松軟煤層儲量豐富、分布范圍廣，現已形成規模開采。據不完全統計，在全國統配煤礦和重點煤礦中，開采大傾角煤層的礦井數約占六分之一[1-3]。大傾角松軟煤層巷道，由于煤層傾角較大，巖石重力作用方向與巖石層理面方向所成的夾角變小，重力沿層理方向的作用力大大增加，這就使圍巖移動、頂板冒落的形態以及巷道變形和支架受載的特征具有新的特點，其對巷道的支護效果要求更高。巷道支護效果的好壞與巷道斷面形式是分不開的，巷道斷面形式的不同，對巷道變形、支護的受力等影響就更大[4-6]。因此，研究這種復雜條件下，煤層巷道的合理斷面形狀和支護方式具有實際意義。就國內外的研究情況來看，大傾角煤層平巷掘進雖然進行了一定研究與試驗，但相關文獻較少，尤其是斷面形狀對大傾角煤塵巷道穩定性的影響，缺乏系統而深入的研究。因而，將斷面形狀優化、錨網支護理論和技術有效地應用于大傾角厚煤層這類復雜條件下巷道掘進的支護實踐，具有很大的現實意義[7-10]。本文擬通過FLAC3D數值分析軟件，研究不同巷道斷面形狀對巷道四周受力及變形的影響，并對巷道斷面進行優化，最終獲得能較好適應于大傾角軟巖或高地應力條件的巷道斷面，以期有效控制巷道的變形，提高支護效果。

1 工程概況

井田整體地質構造為單斜構造，煤層走向北東20～30°，傾向北西，傾角40°。巷道布置在2號煤層，上距K3砂巖3～5m，下距L3石灰巖30～50m。煤厚0.40～11.25m，平均7.13m屬厚煤層，結構簡單，不含夾矸，頂板為泥巖及砂質泥巖，底板為砂質泥巖或泥巖，此煤層屬全井田基本可采的較穩定煤層。煤巖的單軸飽和抗壓強度Rc為1.00～1.20MPa，平均值Rc為1.118MPa。煤巖的定性特征和定量指標均表明，該煤質屬極軟煤[11]。該礦井最大主平應力與水平方向的夾角平均為14.5°，最大主應力大小為豎直應力的1.04～1.38之間，礦井的地應力場以水平構造應力為主，巷道在傾向上與最大水平應力具有一定的夾角，對巷道破壞造成一定的影響。

2 數值模擬研究

FLAC3D程序能較好地模擬地質材料在達到強度極限或屈服極限時發生的破壞或塑性流動的力學行為，特別適用于分析漸進破壞和失穩以及模擬大變形。連續介質快速拉格朗日差分法(Fast Lagrangiananalysis of Continua)，是近年來逐步成熟完善起來的新型數值分析方法。在采礦工程中，許多學者利用FLAC 軟件對采礦過程中，圍巖活動規律及巷道圍巖穩定性問題涉及到的巖體力學特性、圍巖壓力、支護圍巖相互作用關系及巷道與工作面的時空關系等一系列復雜的力學問題，進行了系列研究，取得了顯著的成果[12-13]。因此，本文采用FLAC3D大型數值分析軟件，對巷道的不同的支護方式、斷面形狀時進行數值模擬分析研究，對比在不同方案下，巷道圍巖的位移變形情況、應力分布情況、塑性區分布情況等，以確定最佳方案。

2.1 設計方案及比較

根據巷道的用途和服務年限、礦山壓力和巖石的物理學性質、巷道的支護形式和支護材料、施工技術及其裝備情況，選取三種斷面形狀形式進行模擬分析。如圖1所示。

圖1 巷道斷面

三個方案分別為：梯形斷面+架棚支護；直角梯形斷面+錨索錨桿聯合支護；直墻圓拱形斷面+錨索網鋼帶支護。從受力方面分析：方案二有明顯的缺點，上幫尖角處會產生應力集中，有可能產生大變形導致巷道的失穩；相比方案二，方案三的馬蹄形斷面受力好得多，圍壓可以沿巷道周邊分散，在一定程度上可以有效的防止應力集中造成的大變形；方案一，頂板暴漏面積較小，可減少頂壓能承受稍大的測壓。在掘進方面：方案一、二占有明顯的優勢，梯形斷面好掌握尺寸，斷面課輕松掘出，架棚子、掛網和安設錨桿、錨索都沒有太大的難題；而方案三的斷面比較難掘出，弧形斷面不好把握，另外，鋼帶也要加工成有一定弧度。但從返修率來說，方案三還是有優勢的，大量的工程實例說明，直墻圓拱斷面的返修率遠小于梯形斷面。以下通過應用FLAC3D軟件對以上三個方案進行數值模擬分析，以確定最利于巷道穩定和力學效應的方案。

2.2 模型建立

考慮模型尺寸為巷道寬度3～5倍影響范圍，模型尺寸為40m×25m×30m。程序中，為了減少因網格劃分引起的誤差，網格的長寬比不大于5，對于重點研究區域，可以進行網格加密處理。本次模擬分析所用的模型網格數目，大致都在1200個單元網格。綜合考慮計算的速度和精確度，巖層的網格尺寸要大于煤層的網格尺寸。對于需要開挖或者支護的工程，在建模過程中先進行規劃，調整網格結點，安排開挖以及支護的位置等，然后根據實際工程確定本構關系，給模型賦以相應的力學參數，見表1所示。

表1 巷道圍巖物理力學參數

模型的邊界條件，包括位移邊界和應力邊界兩種。模型邊界的處理方法是：左右邊界只約束x方向上的位移，前后邊界只約束y方向上的位移，即單約束邊界；下部邊界為全約束邊界；上部邊界不約束，為自由邊界；模型的垂直壓應力，按巷道上覆巖體的自重考慮，根據地應力測試結果，巖體的垂直應力為6.75MPa，巖體的水平應力為13.36MPa。其中，圍巖的楊氏模量為18GP，泊松比為0.18。煤層的楊氏模量為2.6GP，泊松比0.14。模型見圖2所示。

2.3 模擬情況及分析

利用彈性本構模型，對計算模型施加重力加速度，在小變形模式下運算至平衡后，得到計算模型的初始應力狀態。然后，將模型設為庫倫摩爾模型，運用Apply命令，在模型四周表面施加上原巖應力，運算至塑性平衡狀態。再將模型位移置零，對巷道進行全斷面一次開挖，然后建立適當的結構單元模擬相應的巷道支護方式，運算至平衡后，監測到巷道的最大不平衡力、豎直方向上的位移分布圖、水平方向上的位移分布圖、塑性區分布圖以及最大主應力分布圖。

圖3反映了巷道開挖后的最大不平衡力的變化過程。從曲線可以看出：方案一中，巷道最大不平衡力達到了16.73MPa，運算至9680時步趨于穩定；方案二中，巷道最大不平衡力達到了10.83MPa，運算至16060時步趨于穩定；方案三中，巷道最大不平衡力達到了最大值10.5MPa，運算至12940時步趨于穩定?？梢姺桨溉谀Ｐ瓦_到平衡過程中顯現的最大不平衡力最小，即最不易失穩。這里需要指出的是，力平衡狀態僅表示所有網格節點的合力為零，并非表明體系處于真實的物理平衡狀態，因為在力平衡狀態下，體系也有可能正在發生穩定的塑性流動。

圖2 各方案模型圖

圖3 巷道最大不平衡力監測圖

圖4為放大100倍后的巷道圍巖，在豎直方向和水平方向上的位移分布云圖。從圖4(a)可看出，梯形斷面巷道在采用工字鋼架棚的支護方式下，巷道頂板沉降量較大，整個模型的最大沉降量為11.83mm。水平變形方面，各點的位移量均不大，整個模型的最大水平位移為3.9mm。由圖4(b)可以看出，直角梯形斷面巷道在采用錨網索+鋼帶的聯合支護方式下，巷道左幫上角沉降量較大，最大沉降量為34.47mm，底板有輕微鼓起，大約在5mm左右，距巷道的巷幫及頂底越近，圍巖的水平位移越大，巷道右幫水平位移量較大，最大水平位移量為32.03mm。圖4(c)反映了直墻圓拱形斷面的巷道變形情況，豎向變形方面可看出巷道左幫上角沉降量較大，為7.57mm，底板右下角有輕微的鼓起，大約在4mm左右。巷道左下角和右上角的水平位移較大，都在3mm左右，只是二者的位移方向相反；另外，不論是垂直位移量還是水平位移量，都比前兩者方案較小。

圖4 不同方案的巷道圍巖變形云圖

圖5為巷道豎直、水平方向上的應力分布圖。從圖5(a)可看出，采用錨網索+鋼帶的聯合支護方式下，模型中豎直方向上的應力最大為71MPa，在模型左下角出現應力集中。巷道周圍應力最大處發生在左下幫，約為20MPa。從圖5(b)可看出，巷道四周的水平應力均較小，模型中的最大應力發生在左上角，最大值為12MPa，巷道周圍應力較大處發生在左底腳，約為5MPa，與前兩者方案相比相比應力絕對值較大，但是應力集中的現象較輕，有利于巷道及支護的穩定性。

FLAC中設定拉應力為正，壓應力為負，而圍巖的抗壓強度一般遠大與抗拉強度，巷道的穩定性主要取決于最大主應力的大小和方向。圖6為巷道圍巖最大主應力分布圖，由圖6可見：方案一中，最大主應力為1.3MPa；方案二中，最大主應力為1.2MPa；方案三中，最大主應力為2.0MPa。易見方案三比方案一、二稍大。

圖5 巷道圍巖應力云圖

圖6 巷道圍巖最大主應力分布云圖

綜合以上分析可見，雖然在應力方面方案三的巷道圍巖各應力值相對前兩個方案較大，但是由于直角圓拱形斷面的尖角較少，應力集中效應相對前兩方案也相對較小，因此巷道圍巖的變形量較小(表2)，也不易發生脆性破壞。

表2 方案變形量比較表

3 工程應用

為驗證以上數值模擬的結果，在1201回風巷道施工中，分段采用以上三種方案，分別進行了現場試驗并進行了礦壓觀測，在巷道內布置礦壓測站6個，測站的間距為40m。截至2009年8月16日，方案一的監測數據為：各觀測點的平均頂底板相對移近量為102mm，兩幫相對移近量為78mm；方案三的監測數據為：個觀測點的平均頂底板移近量33mm，兩幫移近量為21mm；方案二施工中，出現較大變形甚至垮落，故不再進行變形監測。由此可見，巷道表面變形量與數值分析結果基本吻合，說明了方案三比方案一、方案二在控制表面變形具有優勢。

4 結 論

通過對杜家村煤礦1201回風巷道三種不同斷面布置形式、支護方式進行的數值模擬分析試驗可知，錨網索+鋼帶的聯合支護形式下，直墻圓拱形巷道整體變形量較小，應力集中效應較輕，該方案更適合大傾角松軟煤層巷道的開挖支護。

結果表明，大傾角煤層巷道采用矩形或斜梯形斷面受力情況不好，支護效果差，巷道變形量大，易導致巷道支護失效；而采用直墻切圓拱或直墻半圓拱斷面，在對巷道受力大的部位，如巷道的上幫頂角和下幫底角采取加強支護等措施后，可解決大傾角巷道的支護問題。

[1] 王紅衛.急傾斜煤層回采巷道維護方法探討[J] .甘肅科技縱橫,2003,32(5) :50-51.

[2] 東兆星，吳士良.井巷工程[M].北京：中國礦業大學出版社，1999：325-327.

[3] 何滿潮，鄒正盛.軟巖巷道工程概論[M].北京：中國礦業大學出版社,2001：265-267.

[4] 范公勤.緩傾斜煤層回采巷道斷面選擇研究[J].西安礦業學院學報,1994(3)：13-14.

[5] 侴萬禧. 急傾斜煤系巖層中巷道地壓與支護[J].礦山壓力與頂板管理,1998 ,15 (2) :31-33.

[6] 石平五,高召寧.急斜特厚煤層開采圍巖與覆蓋層破壞規律研究[J] .煤炭學報,2003 ,28(1) :13-16.

[7] 邵祥澤，潘志存，張培森.高地應力巷道圍巖的蠕變數值模擬[J] .采礦安全工程學報，2006,23(2):23-26.

[8] 孫曉明，何滿潮. 深部開采軟巖巷道耦合支護數值模擬研究[J]. 中國礦業大學學報，2005，34(2)：166-169.

[9] 任德惠,聶宗權,劉雙關.急傾斜煤層礦壓分布規律[J]. 礦山壓力與頂板管理,1987 ,4 (2) :50-53.

[10] 方伯成. 大傾角工作面礦壓顯現分析[J]. 礦山壓力與頂板管理,1995 ,12 (4) :26-30.

[11] 李寧, G.Swoboda. 當前巖石力學數值方法的幾點思考[J].巖石力學與工程學報,1997 ,16 (5): 502-505.

[12] 陳育民，徐鼎平. FLAC3D基礎工程與實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008：408-410.

[13] 劉波，韓彥輝. FLAC原理、實例與應用指南[M].北京：人民交通出版社，2005:367-368.