基于數值分析的巷道支護參數優化研究

張玉新

（中國中煤能源集團有限公司，北京100120）

我國的煤礦數量和巷道總長度都居世界第一，這也使得我國煤礦遇的問題更多更棘手，其中巷道圍巖變形破壞尤其是巷道頂底板變形問題已經成為嚴重制約我國煤礦安全高效開采的因素之一［1－3］。由于國內外在治理巷道頂底板變形方面尚沒有明確的理論指導，依據工程經驗調整支護方案往往導致反復維修巷道，嚴重影響煤礦的安全高效開采［4－6］。隨著計算機技術的快速發展，數值模擬方法以其經濟高效的特點得到了廣泛應用［7－8］。本文以長期受巷道頂底板大變形問題困擾的淮北某煤礦為工程背景，利用數值模擬分析的方法，探討不同支護方案對巷道頂底板變形的控制效果，最終確定適合該煤礦巷道頂底板控制的最優方案。

1 工程概況

該煤礦可采煤層共有四層，分別為6層、5層、4層及3層，本文的研究對象為IV5210工作面的機巷，位于第5煤層，其平面布置圖如圖1所示。工作面北部為礦界，南部為采區上山，西部為IV528工作面（已采），東部為未采區。IV5210工作面位于該礦Ⅳ水平深部，工作面標高范圍－715～－512m，地面標高＋31.5m。據已有資料分析該面地質構造較復雜，局部煤層受火成巖侵蝕，且存在變薄現象，面內共有7條斷層，最大斷層落差達8m。該工作面水文地質條件一般，主要受煤層頂、底板砂巖裂隙水及火成巖凝結水的影響，正常涌水量3～5m3／h，故進行數值模擬分析時可不考慮該工作面水的影響。

圖1 A504工作面的水平布置圖

IV5210工作面機風巷沿煤層走向布置，設計斷面為寬×高＝4000mm×2800mm，直接頂為灰黑色泥巖，裂隙發育，厚度不穩定，平均厚度為3.9m；老頂為4煤，4煤大部分被火成巖侵蝕，厚度不穩定，平均厚度為6.8m；直接底為灰黑色泥巖，厚度不穩定，平均厚度為6.7m，老底為淺灰色砂巖，平均厚4.8m，其頂底板巖層參數如表1所示。IV5210工作面機巷支護形式采用錨（索）帶網聯合支護。通過現場觀測，發現該機巷變形嚴重，尤其是機巷的頂底板變形破壞嚴重，給煤礦的安全生產帶來了較大隱患，因此有必要對該礦現有的支護方案進行優化。

表1 煤層頂底板情況表

2 支護方案優化

通過分析，發現該礦IV5210工作面機巷的現行支護方案存在一定的不足之處，因此在不增加煤礦支護成本即不改變原支護方案中錨桿（索）材質、直徑、長度及錨固長度的基礎上，針對錨桿（索）布置方式，提出了若干種優化方案。

2.1 方案一（原支護方案）

巷道頂板錨桿選用φ22mm×2200mm的錨桿配合L4200M4型鋼帶進行支護，同時加掛菱形網，間距800mm，排距800mm，頂板兩邊錨桿各向外傾斜10°；幫部錨桿選用φ22mm×2200mm的錨桿配合L2800M4型鋼帶進行支護，同時加掛菱形網，間距800mm，排距800mm；頂板錨索選用φ17.8mm×6000mm鋼絞線，間距2000mm，排距2400mm。其具體布置方式如圖2所示。

圖2 支護方案一

2.2 方案二

巷道高2550mm、寬4000mm，巷道頂板錨桿選用φ22mm×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距1600mm，排距800mm，頂板兩邊錨桿各向外傾斜10°；幫部錨桿選用φ22mm×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距800mm；頂板錨索選用 φ17.8mm×6000mm 鋼絞線，間距1600mm，排距800mm。其余錨桿（索）參數與巷道原支護方案相同，其具體布置方式如圖3所示。

圖3 支護方案二

2.3 方案三

巷道頂板錨桿選用φ22mm×2200mm的錨桿，間距1600mm，排距800mm；幫部錨桿選用φ22mm×2200mm的錨桿，間距800mm，排距800mm；頂板錨索選用 φ17.8mm×6000mm 鋼絞線，間距1600mm，排距800mm，頂板兩邊錨索各向外傾斜10°。其余錨桿（索）參數與方案一相同，其具體布置方式如圖4所示。

2.4 方案四

巷道頂板錨桿選用φ22mm×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距800mm；幫部錨桿選用φ22mm×2200mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間距800mm，排距800mm，左右幫部底錨桿各向下傾斜30°；頂板錨索選用φ17.8mm×6000mm鋼絞線，間距2000mm，排距2400mm。其余錨桿（索）參數與巷道原支護方案相同，其具體布置方式如圖5所示。

圖4 支護方案三

圖5 支護方案四

3 數值模擬分析

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［9－10］，本文采用FLAC3D大型數值分析軟件對巷道的不同的支護參數進行數值模擬分析研究，對比不同方案下，巷道圍巖的位移變形情況、塑性區分布情況等，以確定最佳方案。

3.1 原始模型建立

FLAC3D計算模型范圍的選取直接關系到計算結果的正確與否，模型范圍太大，白白耗費了計算機資源，模型范圍太小，計算結果失真，不能給實際工程指導性的意見，因此合理的選擇計算模型的范圍至關重要。根據巖石力學原理，掘巷后的應力影響范圍約為巷道寬度的3～5倍，結合巷道尺寸，故整個模型的長寬高尺寸分別為40m×20m×40m。計算模型的尺寸一旦確定，計算網格的數目也相應確定，程序中為了減少因網格劃分引起的誤差，網格的長寬比應不大于5，對于重點研究區域可以進行網格加密處理。綜上所述，為了與現場地質情況盡可能一致的同時考慮到建模的方便及合理，模型建立如圖6所示，其中x方向最多被劃分為80個網格、y方向最多被劃分為20個網格、z方向最多被劃分為46個網格，共73600個單元。整個模型從上到下依次為覆巖、老頂火成巖、直接頂泥巖、煤層、直接底泥巖、老頂砂巖，巷道位于煤層中。

圖6 模型圖

模型的邊界條件包括位移邊界和應力邊界兩種，本次數值模擬的邊界條件設置為：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，施加垂直荷載，模擬上覆巖層自重。煤巖體的本構模型選取摩爾—庫倫破壞準則，各層煤巖體的物理力學參數均由試驗測定，見表2。

表2 模型各層煤巖體的物理力學參數

首先將模型運算至自動平衡，獲得初始應力場，整個應力場應力分布均勻，煤層所在處的垂直應力約為16MPa左右，與實測及理論計算的的原巖應力基本相符，故以此模型為背景進行數值模擬。

3.2 計算結果分析

模型運算至塑性平衡狀態后，將模型位移置零，根據現場實際條件對巷道進行全斷面一次開挖，然后根據上文中的不同支護方案來布置錨桿（索），并計算至算至平衡，最終得到一系列不同支護方案下的計算結果。根據本項目的研究重點，調取不同計算結果并對其進行如下分析。

3.2.1 巷道變形云圖

圖7中的圖a～e分別為巷道在不同支護狀態下，其圍巖變形分布云圖，圖中不同顏色表征了巷道圍巖的不同變形量，從藍色到紅色變形量遞增。從圖7a中可以看出，無支護時巷道變形主要以巷道頂底板變形為主，頂底板最大移近量達到100cm，且其直接導致巷道兩幫上部的圍巖變形也顯著增大，這與IV5210工作面機巷的現場變形情況基本相符，且其底板的變形破壞特征是以兩底角的變形而帶動整個底板鼓起為特點。從不同的支護方案可以看出，各種支護方案均較大程度地降低了頂板下沉量，尤其是方案三對頂板下沉量的控制更為明顯，但是由于各種方案對底板均無具體支護措施，所以各種方案對巷道底板的鼓起量的限制都不大。綜上所述，從控制巷道頂板下沉量的角度考慮，方案三更為合理。

圖7 不同支護方案下的巷道變形云圖

3.2.2 塑性區分布圖

煤巖體中巷道開挖后，會在巷道圍巖中產生塑性區，而根據不同的塑性區可以判斷巖石的受力狀態，研究巷道開挖后圍巖的塑性區分布可以較好的表征巷道支護效果的好壞。FLAC3D數值分析軟件在這方面有較強的功能，圖8中的圖a～e分別為巷道在不同支護狀態下，其圍巖的塑性區分布圖，圖中的不同的顏色表征了圍巖單元的不同塑性區狀態，即拉伸塑性區和剪切塑性區。從圖中可以看出，無支護時，巷道圍巖的頂底板出現較大范圍的拉伸塑性區，而巖石的抗拉強度一般較低，故可認為巷道的頂底板破壞嚴重，同時巷道所在煤層及其直接頂幾乎完全處于剪切塑性區，即可認為其變形比較嚴重。而4種支護方案均在一定程度上降低了巷道圍巖的塑性區范圍，尤其是方案三對巷道頂板的拉伸塑性區和剪切塑性區明顯減小，但是由于六種方案均針對巷道底板均無任何支護措施，故巷道底板的拉伸塑性區沒有減小明顯，所以降低巷道圍巖塑性區的角度考慮，方案三更為合理。

3.2.3 巷幫變形——時步曲線

圖9中的圖～e分別為巷道頂板中部和底板總部處的圍巖變形和計算時步相對應的實時監測圖，橫坐標為計算時步，縱坐標為巷道頂底板中部即變形量最大的監測點的垂直位移量，其變形－時步曲線也反映了巷道圍巖各點的變形趨勢。由圖9中可以看出無支護方案時，巷道頂板的下沉速率和最終下沉量都要明顯大于巷道底板的變形量，而從不同支護方案可以看出，不同的支護方案均很好的控制了巷道頂板圍巖的變形速率和最終變形量，但是值得注意的是，六種方案均較大程度的增加了巷道底板初期的變形速率。根據曲線圖進行相關數據統計得到表3，從表3中可以看出同其他方案相比，方案三在控制巷道頂底板移近量方面要略優于其他方案。同時值得注意的是方案四在控制巷道鼓起量方面效果更為明顯。分析其原因是由于其兩底幫處的兩根錨桿向下傾斜，更好的限制了巷道底板的變形，因此建議在采用方案三的同時，將其兩底幫處的錨桿向下傾斜一定角度。

圖8 不同支護方案下的塑性區分布圖

圖9 不同支護方案下的巷道頂底板變形時步圖

表3 不同支護方案下巷道頂底板最大變形量（單位：m）

4 結論

綜上所述，利用FLAC3D數值分析軟件較好的模擬了不同支護方案下的巷道掘進過程，得到了巷道圍巖的變形狀態及塑性區分布狀態等數值計算結果。通過對上述結果的對比分析可以看出，在方案三的基礎上將兩幫部的底角錨桿向下傾斜30°能更好的控制該礦IV5210工作面機風巷的頂底板變形。該礦在后續的巷道支護中采取了該方案措施，有效控制了巷道的頂底板變形，保證了煤礦的安全、高效生產。

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