基于FLAC3D的煤巷支護方案優化及應用

王茂源 薛華俊 白曉生 梁圣華

（中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083）

基于FLAC3D的煤巷支護方案優化及應用

王茂源 薛華俊 白曉生 梁圣華

（中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083）

以淮南礦業集團朱集礦1112（1）工作面軌道巷支護為背景，運用FLAC3D對煤巷錨桿支護進行模擬分析，提出多種支護方案。比較各種支護方案下巷道的頂板沉降、底臌及兩幫位移量，綜合考慮安全、支護成本、掘進進度等因素，得出一套符合煤礦生產實際的優化支護方案。

巷道支護 FLAC3D 數值模擬 方案優化

1 工程概況

淮南朱集礦是淮南礦業集團的第一個千米礦井，1112（1）工作面軌道巷位于東1采區，設計標高為－927.341～－938.181m，屬深埋巷道。

掘進區段位于二疊系上統上石盒子組第三含煤段，開口距13－1煤層底板下67.5m，并揭開11－2煤層。主要巖性為泥巖、細砂巖，11－2煤層頂底板的泥巖中，發育大量的植物化石碎片，11－2煤層頂板厚層泥巖及砂巖交界面，發育有多層厚度0～0.3m不穩定的煤線。煤的堅固性系數f＝0.43～0.87，掘進區段除煤層外無明顯標志層。

該區段主要充水因素為煤層頂（底）板砂巖裂隙水。11－2煤層頂板發育多層砂巖，厚度一般在1.0～2.0m，老頂砂巖累厚6.6m；底板砂巖較發育，厚度一般在2.6～6.1m，砂巖總厚度可達13.4m，根據周邊井田對該含水層水文調查，巷道涌（突）水量為0～74.0m3／h，一般為0.5～4.5m3／h。

井田總體構造形態為背斜，北部為朱集～唐集背斜，其南翼與潘集背斜北翼構成較寬緩向斜，沿軸向有所起伏。掘進區段位于朱集～唐集背斜的南翼，總體為一寬緩的次生背斜，軸向走向大致為NNE向，煤（巖）層產狀210～220°，傾角2～5°。

2 模型建立及模擬支護方案

2.1 數值計算模型基本假設

為了方便研究，本文對模型做了簡化。將巖體看作是均質和各向同性的介質；巖體的節理、裂隙和軟弱結構面等在空間分布上具有隨機性和不確定性，建模過程中忽略了結構弱面及溫度等因素的影響，而用弱化相應的巖體參數代替；由于礦山開采是一個動態變化的過程，所以時間也是影響巖體應力變化的因素之一，而本文在模擬過程中則忽略了時間因素的影響；開挖過程對巷道的穩定性影響是一個動態的過程，而本文對采礦過程進行了一次開挖簡化處理。

2.2 本構模型和材料參數的選取

模型材料圍巖物理力學參數見表1。

表1 巷道圍巖物理力學參數

2.3 邊界條件和初始條件

根據礦區開采引起的巖層移動規律和巖層移動角及對圍巖活動的認識，建立模型。模型模擬范圍為50m×50m×45m，巷道開挖斷面寬5m、高3 m，為了盡可能反映出巷道巖層的力學特征采用摩爾—庫倫本構模型，網格按巖層分區劃分，三維結構模型單元55325個，節點60464個。對模型兩側進行x方向位移約束，對模型底部進行x、y、z方向位移約束，模型前后面進行y方向位移約束。模型上部邊界應力施加相應埋深的垂直荷載，x方向施加相應的水平荷載，模型變形設置為大變形。

2.4 模擬方案

表2 三因素三水平正交試驗表

以朱集煤礦實測的巖層力學資料和原支護結構參數為基礎，考慮現場具體施工條件，根據工程類比法及現場經驗，通過改變頂板、兩幫錨桿間距及錨索間距，從頂板、底板以及兩幫的圍巖變形情況來研究各個因素對控制巷道圍巖變形的作用。為了減少模擬次數，利用正交試驗法建立了9種模擬方案。試驗考慮的影響因素主要包括幫部與頂板錨桿數量、頂板錨索數量，每個影響因素分3個級別。通過查閱《常用正交試驗表》可得三因素三水平正交試驗表如表2所示。

3 數值模擬結果及分析

3.1 方案模擬結果

按照正交試驗表進行試驗共有9種試驗結果。由于篇幅所限，本文只分析試驗中具有比較典型的第1方案、第2方案、第5方案和第9方案。

在不同的工程地質條件和開采條件下，錨桿支護參數對巷道支護效果的影響程度是不一樣的，巷道錨桿支護參數是否合理，最終依賴于錨桿的支護效果，其直接表現是巷道表面位移。因此，可以選擇巷道圍巖移近量作為數值模擬優化錨桿支護參數試驗的考察目標。

運用FLAC3D對未支護、方案1、方案2、方案5、方案9進行數值模擬，可得各情況下巷道頂板的下沉量分別為341mm、127mm、69mm、48 mm和45mm；底板位移分別為139mm、103 mm、59mm、37mm和34mm；兩幫移進量分別為59mm、51mm、35mm、18mm和16mm。

將對不同方案模擬的數據繪制成曲線如圖1～圖3所示。

圖1 不同支護方案下的頂板沉降量

3.2 基于FLAC3D的方案模擬結果

（1）當巷道不進行任何支護時，頂板下沉量、巷道底鼓量和兩幫移近量都很大，分別達到了341mm、139mm和59mm，巷道變形破壞嚴重。因此，必須采取合理有效的支護與加固措施，才能保證巷道的穩定。

（2）對巷道采取初步支護方案1后，巷道的頂板下沉、底鼓和兩幫移近變形都得到一定控制，但巷道變形仍然很大，方案1的支護強度不夠。

（3）方案2增加錨索后，巷道的頂板位移、底板位移、兩幫位移比方案1分別減少了58mm、44mm、16mm，說明錨桿錨索聯合支護可以明顯改善支護效果。

（4）方案5增大錨桿密度后，巷道的頂板位移、底板位移、兩幫位移比方案2分別減少了21mm、22mm、17mm，說明增大支護強度可以減少巷道變形。

（5）方案9繼續增加錨桿密度后，頂板位移、底板位移、兩幫位移比方案5僅僅分別減少了3mm、3mm、2mm，對巷道圍巖變形控制的改善不是很明顯。

從節約巷道支護成本、提高巷道掘進速度以及保證巷道安全生產的角度考慮，支護方案5比較合適，而這也與該巷道最終的實際支護方案相符。最終該巷道采用錨梁網＋錨索的支護方案，頂板用?22mm×2800mm的左旋無縱筋超高強錨桿，間距750mm，排距700mm，兩幫用?22mm×2500 mm的高強錨桿，間距為700mm，排距700mm，錨索規格為?22mm×6300mm，間距為1000 mm，排距700mm。具體現場施工中1112（1）工作面軌道巷支護斷面圖如圖4所示。

圖4 1112（1）工作面軌道巷支護斷面圖

為分析支護后巷道變形情況，用十字測量法進行巷道斷面變形觀測。經過20d，變形基本穩定后觀測數據顯示，該巷道頂板沉降量為67mm，底臌為43mm，兩幫移進量為27mm，與模擬值相比變形量偏大，但巷道斷面總體變形不大，支護效果良好。

4 結論

（1）錨桿錨索的聯合支護比起只用錨桿支護可以更加有效地控制巷道圍巖變形。

（2）支護達到一定強度以后再增加支護強度對對巷道圍巖變形控制的改善不再很有效，要綜合考慮安全、支護成本、巷道掘進速度等因素提出切實適合該巷道的支護方案。

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［2］ 何滿潮.軟巖巷道工程概論［M］.徐州，中國礦業大學出版社，1993

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［4］ 謝文兵，陳曉祥.采礦工程問題數值模擬研究與分析［M］.徐州，中國礦業大學出版社，2005

［5］ 張勇，張江利，張西斌等.半煤巖巷道圍巖變形破壞分析及支護技術研究［J］.中國煤炭，2012（5）

Optimization and application of roadway support program based on FLAC3D

Wang Maoyuan，Xue Huajun，Bai Xiaosheng，Liang Shenghua
（School of Mechanics，Architecture and Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Taking the track roadway support in 1112（1）working face of Zhuji Mine of Huainan Mining Industry Group as the background，using FLAC3D，this paper has conducted a simulation analysis on roadway bolting support，and put forward a variety of support schemes.After comparing roadway roof subsidence，floor heave and two sides displacement in different schemes，and considering the safety，supporting cost，excavation progress and other factors，the paper has derived a set of optimal support scheme according with the actual condition of coal production.

roadway support，Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3－dimentions，numerical simulation，scheme optimization

TD353

A

王茂源（1989－），男，安徽淮南人，碩士研究生，從事巷道支護專家系統方面研究。

（責任編輯 張毅玲）