回風(fēng)巷錨桿支護(hù)及數(shù)值模擬問題探討

郭 亮

（山西春成煤礦勘察設(shè)計有限公司， 山西 太原 030010）

引言

錨桿支護(hù)技術(shù)在我國礦山及地下巖土工程中應(yīng)用已較為普遍，但是對錨桿支護(hù)作用機理和錨桿支護(hù)巷道破壞機理仍缺乏深入認(rèn)識，僅在考慮自重應(yīng)力場條件下得到巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，而忽略了構(gòu)造應(yīng)力場的可能影響。錨桿支護(hù)設(shè)計單純采用類比法，缺乏一套切實可行的設(shè)計規(guī)則，且主要使用低預(yù)應(yīng)力甚至無預(yù)應(yīng)力的被動式錨桿支護(hù)，錨固力無法保證，同時缺乏對高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)機理的認(rèn)識，嚴(yán)重影響錨桿支護(hù)效果和巷道掘進(jìn)速度。

1 井田及煤層概況

山西朔州平魯區(qū)龍礦大恒煤業(yè)有限公司位于朔州市平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)鐵佐溝村和白土窯村一帶，行政區(qū)劃屬平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)管轄。井田南北長3.85 km、東西寬3.27 km，面積6.909 6 km2。批準(zhǔn)開采4～11 號煤層，煤層開采深度為標(biāo)高890～1 300 m，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力180 萬t/年，核定能力300 萬t/年。

下組煤西翼回風(fēng)巷位于9-1煤層一采區(qū)，地面標(biāo)高1 200～1 205 m，巷道標(biāo)高997～1 061 m，巷道東側(cè)及北側(cè)為原大恒4-1號煤層“小采”采空區(qū)，西側(cè)為蘆家窯煤礦邊界保護(hù)煤柱，南側(cè)為主斜井、回風(fēng)斜井。煤層走向NS，傾向W，傾角1°～3°，平均傾角2°。巷道掘進(jìn)過程中整體沿9-1號煤層頂板施工，過斷層時將揭露9-1號煤層頂?shù)装迥唷⑸皫r，9-1號煤層厚6.5 m。9-1號純煤煤層堅固系數(shù)1.0。煤層頂?shù)装迩闆r詳見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

根據(jù)《下組煤西翼回風(fēng)巷施工設(shè)計》，下組煤西翼回風(fēng)巷總體上布置在9-1煤層中，沿9-1煤層頂板掘進(jìn)，局部地段受斷層或其他構(gòu)造的影響，可能破9-1煤層的頂板或底板。下組煤西翼回風(fēng)巷采用的斷面規(guī)格為：掘?qū)? 700 mm，掘高3 700 mm，基礎(chǔ)100 mm，S掘=17.4 m2；凈寬4 500 mm，凈高3 500 mm，S凈=15.75 m2，巷道設(shè)計長度（平距）為1 056 m。

2 錨桿支護(hù)數(shù)值模擬

2.1 方案設(shè)計

采用FLAC3D有限元軟件[1]進(jìn)行煤層錨桿支護(hù)數(shù)值模擬，該軟件是FLAC 軟件的三維擴展形式，涵蓋了FLAC 軟件的全部功能，在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行深基坑、邊坡、基礎(chǔ)、硐室等巖土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、動力分析。FLAC3D軟件能夠模擬包括斷層、節(jié)理等支護(hù)形式在內(nèi)的多種巖土工程地質(zhì)不連續(xù)面，并能像有限單元法一樣用于不規(guī)則區(qū)域、多材料模式連續(xù)問題求解[2]。

本文主要應(yīng)用FLAC3D軟件在所擬定的錨桿支護(hù)方案及煤層模型下進(jìn)行巷道圍巖垂直和水平應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律、圍巖變形特征、屈服范圍大小等的量化計算，并根據(jù)量化數(shù)據(jù)分析巷道支護(hù)的必要性及所擬定支護(hù)方案的可行性。彈塑性煤層模型設(shè)計厚度6.5 m，底板、頂板分別取10 m 和20 m，總設(shè)計高度36.5 m，巷道兩幫分別取25 m，巷道設(shè)計寬度4.5 m，總寬度54.5 m，并將模型劃分63 200 個單元和68 880 個節(jié)點。模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示，左右、前后及下部均為固定邊界[3]設(shè)計，上部為應(yīng)力邊界設(shè)計，煤層設(shè)計埋深180 m。采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則進(jìn)行巖體屈服破壞判斷[4]，公式如下：

圖1 數(shù)值模擬模型網(wǎng)格劃分圖

式中：fs為反映剪切破壞程度的變量，fs取0 時表明材料發(fā)生剪切破壞；ft為反映拉伸破壞程度的變量，ft取0 時表明材料發(fā)生拉伸破壞；σ1為主應(yīng)力最大值，MPa；σ3為主應(yīng)力最小值，MPa；C 為材料黏結(jié)力，MPa；Φ 為材料內(nèi)摩擦角，（°）；NΦ為材料內(nèi)摩擦角作用力系數(shù)，NΦ=（1+sinΦ）/（1-sinΦ）；σt為抗拉強度，MPa。

2.2 支護(hù)條件下回風(fēng)巷模擬

2.2.1 圍巖屈服破壞分析

在錨桿支護(hù)條件下，由巷道圍巖屈服破壞分布情況可知，圍巖屈服破壞范圍與無支護(hù)條件相比明顯減小，表明采用錨桿支護(hù)措施后圍巖屈服破壞得到有效控制。圍巖屈服破壞分布如圖2 所示。

圖2 支護(hù)條件下的巷道圍巖屈服破壞圖

2.2.2 圍巖垂直應(yīng)力

根據(jù)對本煤層錨桿支護(hù)條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況的分析看出，巷道兩幫圍巖垂直應(yīng)力的分布狀態(tài)明顯比無錨桿支護(hù)好，且兩幫垂直應(yīng)力表現(xiàn)為明顯的對稱分布態(tài)勢[5]，應(yīng)力降低區(qū)普遍降至0.5 m，0.5～1.0 m 以上的區(qū)域內(nèi)應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，1.0 m 區(qū)域外則為垂直應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力升高后的峰值在1.1 m 處達(dá)到8.9 MPa。巷道在錨桿支護(hù)條件下的圍巖垂直應(yīng)力分布云圖如圖3 所示，由圖可知，圍巖兩幫垂直應(yīng)力升高區(qū)范圍向巷道內(nèi)側(cè)擴大趨勢明顯，充分表明圍巖兩幫錨桿支護(hù)后垂直應(yīng)力峰值向巷道深部轉(zhuǎn)移的趨勢得到有效遏制，兩幫圍巖結(jié)構(gòu)強度顯著提升，所形成的錨固結(jié)構(gòu)體強度較高。

圖3 支護(hù)下巷道圍巖垂直應(yīng)力（Pa）云圖

2.2.3 圍巖水平應(yīng)力

巷道圍巖水平應(yīng)力分布云圖如圖4 所示，根據(jù)對本煤層巷道圍巖水平應(yīng)力分布情況的分析可以看出，錨桿支護(hù)后巷道頂、底板水平應(yīng)力分布均勻，且頂板水平應(yīng)力降低的范圍呈縮小趨勢，錨固結(jié)構(gòu)體強度顯著提高，頂板1.8 m 外圍巖的水平應(yīng)力逐漸升高至原圍巖應(yīng)力水平后在錨固范圍內(nèi)形成高應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)體，錨固于上方原圍巖應(yīng)力區(qū)的錨索對錨固范圍內(nèi)高應(yīng)力錨固體起到懸吊加固[6]作用。巷道頂板圍巖水平應(yīng)力分布處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 支護(hù)下巷道圍巖水平應(yīng)力（Pa）云圖

2.2.4 圍巖位移分布

巷道圍巖垂直位移分布圖、水平位移分布圖如下頁圖5、圖6 所示，根據(jù)對本煤層巷道圍巖垂直位、水平位移分布情況的分析可以看出，煤層巷道頂板最大下沉量可達(dá)23.47 mm，最大底鼓量達(dá)6.9 mm，頂?shù)装遄畲笠平恐颠_(dá)30.37 mm；左幫、右?guī)鸵平糠謩e為32.6 mm 和25.0 mm。與無錨桿支護(hù)相比較，巷道頂板沉降量、底鼓量、頂?shù)装搴蛢蓭鸵平縖7]等均得到有效控制。

圖5 支護(hù)下巷道圍巖垂直位移（m）分布圖

圖6 支護(hù)下巷道圍巖水平位移（m）分布圖

2.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)對回風(fēng)巷無支護(hù)情況的分析，巷道頂板處垂直應(yīng)力存在降低趨勢，且兩幫垂直應(yīng)力的峰值也接近1.0 m，頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e達(dá)89.7 mm 和106.8 mm，回風(fēng)巷圍巖屈服破壞程度較嚴(yán)重，若不采取及時有效的支護(hù)，必然導(dǎo)致頂板垮落范圍增大，兩幫片幫。依據(jù)錨桿支護(hù)擠壓加固理論[8]及相關(guān)錨固原則，如果整體錨固結(jié)構(gòu)體主要由屈服破壞范圍內(nèi)的頂板和兩幫圍巖形成，則頂錨桿、幫錨桿、錨索長度應(yīng)分別取2.0 m、1.6 m 和6.3 m。通過分析支護(hù)條件下回風(fēng)巷模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫圍巖垂直應(yīng)力分布狀況明顯比無支護(hù)條件下好，且兩幫垂直應(yīng)力核區(qū)范圍呈增大趨勢，頂板水平應(yīng)力降低范圍及圍巖屈服破壞范圍減小，錨固結(jié)構(gòu)體強度顯著提升，且頂?shù)装迮c兩幫移近量得到顯著控制。

3 結(jié)語

通過對煤層回風(fēng)巷錨桿支護(hù)效果的有限元模擬分析可以看出，錨桿支護(hù)能有效控制巷道圍巖變形，且巷道頂?shù)装迨窍锏绹鷰r穩(wěn)定的基本方面，必須重視巷道頂?shù)装宓闹ёo(hù)，并同時加強兩幫下隅角處的支護(hù)處理。現(xiàn)場實踐證明，在山西朔州平魯區(qū)龍礦大恒煤業(yè)9-1煤層一采區(qū)下組煤西翼回風(fēng)巷沿底掘進(jìn)實施錨桿支護(hù)切實可行，且錨桿支護(hù)方案實施后能在一定程度上阻止頂板裂隙產(chǎn)生，并預(yù)防裂隙擴大、貫通并最終導(dǎo)致巷道坍塌，有利于綜采快速推進(jìn)及人工勞動強度降低，對增產(chǎn)高效礦井建設(shè)具有積極意義。