論巷道支護數值模擬研究及應用

程文博　縱雙園

摘要：上個世紀70年代后期到80年代，是巷道圍巖穩定理論空前發展時期，進入21世紀，為了更好的研究巷道圍巖穩定問題。充分引用計算機數值模擬處理復雜巖土工程及力學問題。三維快速拉格朗日法是一種基于三維顯示有限差分法的數值分析方法。五溝煤礦的南一采區回風巷，經數值分析后，確定了合理的支護參數，取得了良好的經濟致益。并且安全得到了保障。

關鍵詞：巷道支護；數值模擬；經濟效益；安全保障

中圖分類號：TU7

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)13-0277-02

0前言

三維快速拉格朗日分析采用了顯示有限差分格式來求解場的控制微分方程，并應用了混合單元離散模型，可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域有其獨到的優點。三維快速拉格朗日分析程序FLAC3D具有強大的后處理功能。很適用采礦設計中評估斷層的影響、地質體的錨固分析等數值模擬。

1FLAC3D的計算原理

快速拉格朗日分析程序有很強的分析功能，其基本思想是：通過對三維介質的離散，使所有外力與內力集中于三維網絡節點上，進而將連續介質運動定律轉化為離散節點上的牛頓定律；時間與空間的導數采用沿有限空間與時間間隔線性變化的有限差分來近似；將靜力問題當作動力問題來求解，運動方程中慣性項用來作為達到所求靜力平衡的一種手段。

2南一采區回風巷計算條件

五溝煤礦南一采區回風巷埋深-375m，兩幫為煤，底板為砂巖，并伴有泥巖，巖性f=4-6；斷面形式為梯形，高3.7m，上底3.8m，下底4m；支護方式采用錨網梁支護，錨桿18×2200，間距800×800，噴厚90ram。

數值模擬采用FLAC-3D計算程序完成。參考相關經驗將圍巖定為不穩定圍巖。

3南一回風巷的三維彈塑性分析

為了進行對比，計算中錨桿間距分別取800×800mm和900×900mm。

3.1計算模型及初始狀態

巷道支護計算網格圖中網格剖分采用FLAC-3D完成，采用單元形態為六面體單元。

然后分別繪制錨桿間距為800×800mm和錨桿間距為900×900mm的錨桿襯砌支護及錨桿的錨固形式計算圖，錨桿錨固形式為端部錨固。垂直巷遂軸線方向初始水平應力分布等色線圖，巷道軸線方向初始水平應力分布等色線圖和巷道初始豎向應力分布等色線圖。

3.2巷道支護數值模擬

數值模擬沒有考慮施工工序，認為巷道是整體開挖和及時支護的。分別繪制出以下錨桿間距為800×800mm和錨桿間距為900×900mm的計算結果圖；開挖及支護后巷道位移矢量分布圖；開挖及支護后巷道位移等值圖；開挖及支護后垂直巷道軸線方向水平應力分布圖；開挖及支護后巷道軸線方向水平應力分布圖；開挖及支護后巷道豎向應力分布圖；開挖及支護后巷道中形成的塑性屈服區域，支護位移矢量分布圖；錨桿軸向所受的拉力和壓力分布圖；錨桿軸向所受的應力分布圖。

計算結果圖顯示，對不穩定圍巖而言，巷道支護后仍有較大的收斂位移。

從巷道位移矢量分布圖中可以看出巷道底板的位移較小，頂板的位移居中，而兩幫的位移最大，當錨桿的間距為800×800mm時，巷道的位移最大值為245mm；當錨桿的間距為900×900時，巷道的位移最大值為267mm，位移量增加了9.0％。

從巷道位移等值線圖中可以看出，錨桿間距800×800mm時，兩幫最大位移值為245mm，頂板的位移最大值為225mm，錨桿間距900×900mm時，兩幫最大值位移值為267mm，頂板的位移最大值為225mm，表明錨桿間距對頂板位移量影響不明顯。

從巷道圍巖應力分布云圖中可以看出，當錨桿間距800X800mm時，巷道頂部在豎直方向出現拉應力區，最大值為1.50e5 N/m。當錨桿間距900×900mm時，巷道兩幫在垂直于巷道軸線方向出現拉應力區，最大值為1.39e54N/m。在巷道頂底部在豎直方向出現拉應力區，最大值為2.07e5N/m。錨桿間距增加后導致兩幫出現拉應力狀態，導致兩幫張拉破壞加劇。

從開挖及支護后巷道中形成的塑性屈服區域，支護位移矢量分布示意圖中表明巷道兩幫及頂底板均出現塑性破壞，頂底板出現塑性屈服后，趨于穩定而兩幫則處于不穩定狀態，并且在兩幫出現了拉壞區。當錨桿間距從800mm增加到900mm時，頂底板圍巖塑性區有減小的趨勢，而兩幫破壞加劇，同時張拉破壞也加劇。

錨桿軸向所受的拉力和壓力分布圖表明支護結構最大位移出現在兩幫。當錨桿間距為800×800mm時，最大位移值為280mm。當錨桿間距為900×900mm時，最大位移值為302mm。兩幫支護結構(襯砌)的位移最大值大于圍巖兩幫位移最大值(g00×900mm時為302mm，800×800mm時為280mm)。說明了襯砌局部出現脫離圍巖情況。

從錨桿軸向所受的應力分布圖中可看出錨桿均處于張拉狀態，最大拉力為59KN。兩幫錨桿處于屈服狀態，最大應力達到232MP。

4現場實測與數值模擬比較

南一采區回風巷巷道數值模擬和現場實測比較

5結語

五溝煤礦利用數值分析后，確定了合理的支護參數，至今，南一采區回風巷未有一次大修，節約了巷道修復成本，取得了良好的經濟效益且安全得到了保障。