三維條件下煤礦巷道錨桿支護參數正交數值模擬研究

李小裕 丁 楠 蔣力帥

(山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266510)

三維條件下煤礦巷道錨桿支護參數正交數值模擬研究

李小裕 丁 楠 蔣力帥

(山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266510)

基于興隆煤礦實際工程地質條件，采用有限差分數值模擬軟件FLAC3D，通過正交試驗法設計模擬方案，模擬了煤礦巷道三維空間中不同錨桿支護參數及布置形式下巷道頂板沿走向和傾向的變形破壞情況，得到了錨桿長度、預緊力、支護密度和布置形式對巷道頂板變形的影響規律，通過正交分析得出各因素對頂板變形的重要性排序依次為支護密度、預緊力、布置形式、錨桿長度。研究結論可為相似工程條件下巷道支護設計提供參考依據。

錨桿支護 支護設計 三維條件 數值模擬 正交試驗

AbstractBased on the geological engineering conditions of Xinglong Mine, using FLAC3D finite difference numerical simulation software and the orthogonal test method to design simulation schemes, roof deformation along the directions of both strike and tendency with different rock bolt support schemes and parameters were simulated. The influencing laws of support density, pre-tension, bolt length and layout pattern on roof deformation were figured out by numerical simulation and orthogonal test analysis, which indicated that the importance sequence of each factor to the deformation of roof were support density, pre-tension, layout pattern and bolt length. The research could provide reference for roadway support design under similar engineering conditions.

Keywordsrock bolt support, support design, three-dimension condition, numerical simulation, orthogonal experiment

科學合理的錨桿支護設計對于充分發揮錨桿支護的優越性及保證巷道的穩定性有非常重要的意義。支護設計不合理會造成支護強度和成本的冗余或欠缺，不能有效遏制圍巖的變形破壞，造成巷道安全事故。國內外學者經過多年的理論研究、現場應用和反饋完善，形成了一套比較科學的錨桿支護設計方法，即在對巷道圍巖地質力學參數詳細測試與整理的基礎上，根據煤礦巷道特點并結合數值模擬的方法，采用比較合理的錨桿支護設計方法，后期進行井下支護數據監測，并根據監測數據修正和完善初始設計。其中，錨桿支護初始設計是采用數值模擬結合經驗、類比等方法確定。通過數值模擬可以定量直觀地研究巷道圍巖移近量、應力及破壞分布；各工程地質因素、支護參數對巷道圍巖變形與破壞的影響，從而合理優化支護參數。本文基于興隆煤礦實際工程地質條件，采用有限差分數值模擬軟件FLAC3D，通過正交試驗法設計模擬方案，研究三維條件下不同支護參數及支護形式對巷道變形破壞的影響規律。

1 巷道數值模型及變形監測點布置

以興隆煤礦現場地質條件為研究背景，采用連續介質力學分析軟件FLAC3D建立三維數值模型。數值模型外輪廓尺寸為40 m×60 m×34 m。矩形巷道沿煤層底板保留1 m煤皮掘進，巷道寬6 m，高4 m。為了消除每個方向的邊界效應，巷道在模型中部開挖。模型單元體采用FLAC3D內置的應變軟化模型。

模型四周和底部采用位移限定邊界，即模型底面在豎直方向上速度為零，4個側面沿水平方向速度為零，模型頂面施加豎直向下的應力邊界，沿Z軸負方向的主應力為25 MPa，最大水平主應力為15 MPa，最小水平主應力為15 MPa，由于34 m高的模型垂直應力僅相當埋深1000 m模型的3.4%，故不考慮應力梯度。在Y方向0～20 m平面范圍內進行錨桿支護，巖體力學參數見表1，建立數值模型如圖1所示。

為了研究巷道頂板在開挖后的變形情況，在巷道監測段截面Y=10平面內頂板上走向均勻布置13個頂板變形監測點，如圖2所示；在巷道監測段截面X=0平面內頂板上傾向均勻布置20個頂板監測點，如圖3所示。

采用Cable結構單元模擬頂板錨桿支護，錨桿自由段和錨固段的不同力學特性通過賦予不同的結構單元力學參數體現，見表2，采用極大值法(將自由段端頭構件參數設置為極大值來模擬錨桿托盤)將預緊力施加于錨桿自由段。

圖1 數值模型

圖2 頂板變形傾向監測點布置示意圖

圖3 頂板變形走向監測點布置示意圖

表1 巖體物理力學參數

表2 錨桿力學參數

2 正交試驗方案

正交試驗是基于數理統計學與正交性原理研究多因素多水平的一種設計方法，根據正交性挑選出部分有代表性的點，用正交表來設計試驗方案和分析試驗結果，并通過這幾次試驗的數據，找到最優的或較優的方案，用盡量少的試驗得到最優的試驗結果。正交試驗法能夠有代表性地安排組織試驗，比較全面地反映各因素、各水平對指標影響的大致情況。

本文主要針對回采巷道錨桿支護參數及布置形式中的錨桿長度、支護密度(間排距)、支護布置形式及預緊力4個因素。將此4個參數作為正交試驗的4個因素，每個因素取3個水平，因素和水平的變化情況見表3，錨桿布置形式如圖4所示。

表3 數值模擬試驗水平因素表

圖4 頂板錨桿支護布置形式

采用4因素3水平的正交試驗方案，建立9個FLAC3D數值計算模型，按照對應的試驗號分別對每個模型施加相應的錨桿支護參數及布置形式，監測巷道開挖后頂板位移監測點數據，并求得各模型的巷道頂板平均下沉量數據，具體方案和試驗結果見表4。

表4 數值模擬試驗方案

3 數值模擬試驗結果及分析

采用極差分析法分析數值模擬試驗結果,極差分析法通過對每個因素的平均極差來分析問題，極差的大小反映了該因素選取不同的水平時，水平變動對指標的影響大小。由表4求出各因素每個水平的均值和極差，可以得出如表5和表6所示的均值和極差分析結果。

表5 頂板走向平均下沉量極差分析

表6 頂板傾向平均下沉量極差分析

綜合表5、表6頂板平均下沉量極差分析的數據可知，錨桿支護密度(間排距)因素極差最大，其次是預緊力因素，然后是支護布置形式因素，長度因素極差最小，即對頂板變形的重要性排序依次為支護密度、預緊力、布置形式、錨桿長度。

(1)與其他錨桿支護參數相比，錨桿支護密度(間排距)對巷道頂板變形破壞影響最大。錨桿支護間排距過大，難以有效提高巷道頂板的整體承載能力和穩定性，影響支護效果；提高支護密度，減小錨桿間排距，有利于提高頂板承載能力，控制圍巖變形量，從而增強頂板穩定性。

(2)錨桿預緊力是錨桿支護系統的關鍵參數。隨著預緊力的增大，巷道頂板變形下沉量顯著減小，對頂板的變形破壞有非常大的影響。這表明錨桿的預緊力應是錨桿支護優先考慮的參數。

(3)錨桿支護布置形式對頂板穩定性也有顯著影響。錨桿支護布置形式決定了形成的穩定區域面積的大小，及穩定區域彼此咬合的緊密程度，試驗證明在同等地質條件下三花型布置的時候巷道頂板變形最小，說明在這種布置形式下錨固區域穩定性最強。

(4)錨桿長度對巷道頂板變形破壞也有一定影響，錨桿長度與圍巖變形量成反比例關系。不過，錨桿長度加大到一定值后，再增加錨桿長度對錨固體強度已無明顯作用。

4 結論

通過基于正交試驗設計的巷道支護三維數值模擬分析，研究得到錨桿支護長度、支護密度、布置形式及預緊力對巷道頂板變形破壞的影響程度。研究結果表明，錨桿支護密度是影響巷道頂板變形破壞最重要的參數；錨桿預緊力是巷道錨桿支護系統的關鍵參數，在進行支護設計時需要高度重視；錨桿支護布置形式、錨固長度對巷道頂板的變形與破壞也有一定影響，但在當前工程地質條件下對頂板穩定性的改善效果不如支護密度及預緊力。

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(責任編輯 陶 賽)

Numericalsimulationoncoalmineroadwaysupportparametersin3Dconditionbasedonorthogonaltestmethod

Li Xiaoyu, Ding Nan, Jiang Lishuai

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China)

TD353

A

國家自然科學基金面上項目(51374139，51574155)，深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室開放基金(SKLGDUEK1725)

李小裕，丁楠，蔣力帥. 三維條件下煤礦巷道錨桿支護參數正交數值模擬研究 [J]. 中國煤炭，2017,43(9)：44-47. Li Xiaoyu, Ding Nan, Jiang Lishuai. Numerical simulation on coal mine roadway support parameters in 3D condition based on orthogonal test method [J]. China Coal，2017,43(9)：44-47.

李小裕(1993-)，男，內蒙古呼和浩特人，碩士研究生，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。