數(shù)值模擬在巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

荊 琪，賈 超

（黃陵礦業(yè)公司一號煤礦，陜西 延安 727300）

巷道圍巖控制是影響煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。隨著煤炭開采范圍增加、環(huán)境惡化、采動影響等因素使巷道圍巖產(chǎn)生大變形、破壞，嚴(yán)重影響了煤炭資源的安全、高效開采。若支護(hù)選擇和設(shè)計(jì)沒有科學(xué)依據(jù)，可能達(dá)不到理想的支護(hù)效果，巷道圍巖將產(chǎn)生局部變形并導(dǎo)致破壞失穩(wěn)，也可能造成支護(hù)材料浪費(fèi)，單進(jìn)水平低。

國內(nèi)外對錨桿支護(hù)有大量的研究，但是由于錨桿支護(hù)的對象—不同煤（巖）層巷道周邊的工程巖體，其所固有的非均質(zhì)性、非連續(xù)性、各向異性以及采掘過程的復(fù)雜性等，使得錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模式。許多錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)都是按經(jīng)驗(yàn)或工程類比法來完成的。這對于不同煤層賦存條件和開采技術(shù)條件變化極大的煤系地層而言，顯然是不夠科學(xué)的［1］。

1 工程概況

黃陵一號煤礦1008 進(jìn)風(fēng)順槽位于十盤區(qū)中部，東接北一進(jìn)風(fēng)大巷，西鄰六盤區(qū)。頂板為粉砂巖，底板為泥巖，為半煤巖巷道，在掘進(jìn)期間整體穩(wěn)定性較好，但底板局部破碎、順槽中部頂板部分破碎，巷道幫部下側(cè)破碎較為嚴(yán)重。

以1008 進(jìn)風(fēng)順槽為工程背景，擬采用數(shù)值模擬分析手段，達(dá)到優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案，以期能為我礦順槽支護(hù)方式提供指導(dǎo)意見。

2 模擬條件

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對模型施加摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，計(jì)算模型尺寸為55 m×4 m×44 m。由于本研究主要針對掘進(jìn)期間巷道變形特征情況，一般地，巷道塑性變形破壞的主要影響范圍為3～5 倍的巷道尺寸；1008 進(jìn)風(fēng)順槽為矩形巷道，巷寬4.8 m，巷高2.8 m，故在3 倍巷道尺寸范圍內(nèi)即主要影響區(qū)以0.1～0.5 m 放射狀網(wǎng)格尺寸建模，在3～5 倍范圍內(nèi)即次要影響區(qū)以0.5～1 m網(wǎng)格尺寸建模，著重分析主要影響區(qū)范圍內(nèi)巷道變形破壞情況。對模型頂面施加均布載荷，模型兩邊施加水平應(yīng)力，對模型四邊固支，同時(shí)限制底面位移，同時(shí)施加重力梯度考慮模型自重［2］。巖體物理學(xué)參數(shù)見表1，數(shù)值模擬模型見圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 支護(hù)方案

結(jié)合礦井實(shí)際情況，1008 進(jìn)風(fēng)順槽巷道破碎主要集中在巷道幫部與頂板，巷道底板完整性相對較好，故擬通過優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)，在保證安全的前提下節(jié)約巷道支護(hù)成本［3］。具體支護(hù)方案見表2。

表2 設(shè)計(jì)方案

4 模擬分析

4.1 方案1

圖2 為方案1 巷道掘進(jìn)時(shí)期垂直應(yīng)力云圖，巷道圍巖應(yīng)力分布整體呈“駝峰”型分布，最大應(yīng)力集中區(qū)域在巷道幫部兩個頂角處，最大應(yīng)力達(dá)到21.05 MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.105。推測在推進(jìn)過程中，巷道頂角處最先發(fā)生破壞；巷道幫部應(yīng)力集中區(qū)主要在下側(cè)，由于巷道為半煤巖巷，巷道幫部上側(cè)為砂巖，巖體自身強(qiáng)度大，巷道幫部下側(cè)為煤體，煤體強(qiáng)度較弱，故推測此時(shí)巷道幫部下側(cè)發(fā)生破壞；巷道底板同樣發(fā)生應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中程度較弱，此時(shí)巷道底板較為完整［4］。

圖2 方案1 垂直應(yīng)力

圖3 為方案1 巷道掘進(jìn)時(shí)期垂直位移云圖。圖中巷道頂板中線位置處頂板下沉最為嚴(yán)重，最大下沉值達(dá)到7.12 mm，巷道底板中心位置鼓出最為嚴(yán)重，最大底鼓量達(dá)到2.2 mm，巷道位移變形量沿著頂?shù)装逯芯€向兩側(cè)逐漸減弱［5］。

圖3 方案1 垂直位移云圖

圖4 為方案1 巷道掘進(jìn)時(shí)期塑性區(qū)分布云圖，巷道在掘進(jìn)期間頂?shù)装迤茐姆秶淮螅渲许敯遄畲笃茐纳疃冗_(dá)到0.5 m，底板最大破壞深度達(dá)到0.6 m，此時(shí)巷道頂?shù)装遢^為完好；主要的破壞區(qū)域集中在巷道幫部下側(cè)，幫部上側(cè)位置塑性破壞較下側(cè)明顯減少，分析原因是由于幫部上側(cè)處于砂巖段，推測此時(shí)巷道幫部上側(cè)較下側(cè)更為完整，但存在局部破碎，這與垂直應(yīng)力的分析結(jié)果是一致的。

圖4 方案1 塑性區(qū)分布云圖

4.2 方案2

圖5 為方案2 情況下巷道掘進(jìn)期間垂直應(yīng)力分布云圖，巷道圍巖應(yīng)力分布整體呈“駝峰”型分布，最大應(yīng)力集中區(qū)域在巷道幫部兩個頂角處，最大應(yīng)力達(dá)到22.76 MPa，最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.276。較方案1 來說，最大應(yīng)力值增大1.71 MPa，同比增長8.12%。推測在推進(jìn)過程中，幫部頂角處最先發(fā)生破壞；巷道幫部應(yīng)力集中區(qū)主要在下側(cè)，由于巷道為半煤巖巷，幫部上側(cè)為砂巖，巖體自身強(qiáng)度大，幫部下側(cè)為煤體，煤體強(qiáng)度較弱，故推測此時(shí)巷道幫部下側(cè)發(fā)生破壞；巷道底板同樣發(fā)生應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中程度較弱，此時(shí)巷道底板較為完整。

圖5 方案2 垂直應(yīng)力分布云圖

圖6 為方案2 情況下巷道掘進(jìn)期間垂直位移云圖，巷道頂板中線位置處頂板下沉最為嚴(yán)重，最大下沉值達(dá)到6.47 mm，較方案1 相比，最大下沉值下降了0.61 mm，最大下沉值同比降低8.56%，巷道底板中心位置鼓出最為嚴(yán)重，最大底鼓量達(dá)到2.11 mm，巷道位移變形量沿著頂?shù)装逯芯€向兩側(cè)逐漸減弱［6］。

圖6 方案2 垂直位移云圖

圖7 為方案2 情況下巷道掘進(jìn)期間塑性區(qū)分布云圖，巷道頂?shù)装逭w破碎情況較小，巷道頂板剪切破壞深度達(dá)0.3 m，底板剪切破壞深度達(dá)0.6 m，與方案1 相比較，頂板破壞深度減小0.2 m，同比下降40%，兩幫破碎情況與方案1 相差不大，在此不再分析。

圖7 方案2 塑性區(qū)分布云圖

綜合兩方案對比分析，得到以下結(jié)果：

（1）方案2 相較方案1 最大應(yīng)力集中峰值上升了1.71 MPa，同比上升8.12%，垂直位移減少0.61 mm，同比下降8.56%，頂板塑性區(qū)發(fā)育高度下降0.2 m，同比降低40%；方案2 比方案1 頂板下沉量減少，頂板塑性區(qū)發(fā)育區(qū)域減少。由此可見，方案2 支護(hù)效果更佳。

（2）模擬巷道循環(huán)推進(jìn)距離為4.8 m，方案2比方案1 頂板錨桿增加0.25 根/m，方案2 比方案1 幫錨桿增加0.67 根/m，錨索梁減少0.21 套/m；現(xiàn)場實(shí)測，方案2 比方案1 支護(hù)效率提高15%，按照每天平均掘進(jìn)16 m 計(jì)算，方案2 比方案1 每天掘進(jìn)進(jìn)尺提高2.4 m，方案2 較比方案1 每米費(fèi)用降低186 元；方案2 支護(hù)效率顯著提高，支護(hù)成本明顯降低。

5 結(jié)語

以黃陵礦業(yè)公司一號煤礦1008進(jìn)風(fēng)順槽支護(hù)為背景，擬用數(shù)值模擬方法對巷道支護(hù)進(jìn)行分析；探討如何優(yōu)化選擇支護(hù)方案，既提高支護(hù)效率，又降低支護(hù)成本；并經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測得到驗(yàn)證，可為煤礦巷道支護(hù)選擇提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。