淺析數(shù)值模擬在煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用①

王軍

摘 要：本文從數(shù)值模擬在煤礦支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用出發(fā)，闡述了數(shù)值模擬的計(jì)算方法和步驟，并對(duì)紅石灣煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)巷道支護(hù)的效果進(jìn)行了對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：巷道支護(hù) 計(jì)算方法 數(shù)值模擬 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（b）-0127-02

通過數(shù)值模擬法進(jìn)行錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)隨著在采礦工程中大量應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法也得到了快速的發(fā)展。數(shù)值模擬法比其他設(shè)計(jì)法擁有多方面的優(yōu)點(diǎn)，例如可以模擬各種復(fù)雜的圍巖條件、邊界條件或者斷面形狀巷道的應(yīng)力場和位移場；可以進(jìn)行多方案的快速比較來分析影響巷道支護(hù)效果的各種攻因素；擁有更直觀、形象的模擬結(jié)果，方便分析處理等優(yōu)點(diǎn)。美國，英國和澳大利亞等錨桿支護(hù)技術(shù)先進(jìn)的國家已經(jīng)對(duì)數(shù)值模擬法進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。

1 數(shù)值模擬計(jì)算方法

有限元、離散元或者有限差等數(shù)值方法已經(jīng)隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展廣泛運(yùn)用與巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。非圓形、非均質(zhì)、復(fù)雜邊界條件的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)體現(xiàn)出了這些計(jì)算方法較大的優(yōu)越性，并且可以從同時(shí)進(jìn)行的方案中比較選出更合理的方案。

目前應(yīng)用比較廣泛的FLAC軟件，可模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為。它采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術(shù)，使該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動(dòng)和破壞。FLAC采用顯式解法，可模擬任意非線性力學(xué)問題，適用于模擬連續(xù)介質(zhì)非線性、大變形問題。

2 數(shù)值模擬步驟

采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)一般按以下步驟進(jìn)行。

2.1 確定巷道的位置與布置方向

巷道位置與布置方向一般根據(jù)礦體條件、區(qū)段劃分、采場布置等因素確定。如果能考慮地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，將十分有利于巷道維護(hù)；一方面，盡量將巷道布置在比較穩(wěn)定的巖體中和應(yīng)力降低區(qū)；另一方面，應(yīng)將巷道布置在受力狀態(tài)有利的方向。如當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，有利于圍巖穩(wěn)定；當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，圍巖穩(wěn)定性最差。

2.2 確定巷道斷面形狀與尺寸

根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備尺寸、通風(fēng)、行人要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計(jì)合理的巷道斷面形狀與尺寸。

2.3 建立數(shù)值模型

根據(jù)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件，確定模型模擬范圍、模型網(wǎng)格及邊界條件，選擇合理的模擬圍巖和支護(hù)體的力學(xué)模型。

2.4 確定模擬方案

根據(jù)模擬對(duì)象確定模擬方案。一般包括不同巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角，不同錨桿預(yù)應(yīng)力，不同錨桿支護(hù)密度，及錨索密度、長度、強(qiáng)度等支護(hù)方案。

2.5 模擬結(jié)果分析

分析巷道圍巖變形與破壞的特征，地應(yīng)力大小與方向、錨桿與錨索預(yù)應(yīng)力、支護(hù)密度、直徑、長度和強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響，通過多方案比較，最后選擇有效、經(jīng)濟(jì)、便于施工的支護(hù)方案。

2.6 井下監(jiān)測(cè)與信息反饋及修正設(shè)計(jì)

初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下后，必須進(jìn)行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的目的是獲取巷道圍巖和錨桿的各種變形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始設(shè)計(jì)。

獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以后，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與信息反饋指標(biāo)比較，就可判斷初始設(shè)計(jì)的合理性，必要時(shí)修正初始設(shè)計(jì)。

3 紅石灣煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬對(duì)比

紅石灣煤礦501工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)走向長度1368 m，傾斜長度173 m，煤層厚度4.6 m，煤層傾角22°，巷道標(biāo)高：+920～ +856 m，地面標(biāo)高：123～1246 m，埋深：312～390 m。

3.1 新舊支護(hù)設(shè)計(jì)

原支護(hù)設(shè)計(jì)：普通錨桿支護(hù)，頂板6根錨桿，兩幫各4根，排距0.8 m，頂錨桿直徑φ20 mm，幫錨桿直徑φ16 mm，頂錨桿長度2.5 m，幫錨桿長度1.6 m，錨索補(bǔ)強(qiáng)；

新支護(hù)設(shè)計(jì)：400號(hào)錨桿支護(hù)，頂板5根錨桿，兩幫各4根，排距0.9 m，頂錨桿直徑φ22 mm，幫錨桿直徑φ20 mm，頂錨桿長度2.4 m，幫錨桿長度2.0 m，錨索補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 新舊支護(hù)方案應(yīng)力對(duì)比

如圖1～圖4所示。

4 工程應(yīng)用

通過對(duì)比巷道位移量、應(yīng)力分布（如圖1～圖5）可以看出，當(dāng)采用設(shè)計(jì)支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，由于錨桿材質(zhì)的提高，錨桿的承載力大大增加，經(jīng)受兩次動(dòng)壓影響后錨桿受力大部分都沒有超過屈服極限，巷道剪切破壞范圍明顯減??；由于新設(shè)計(jì)方案對(duì)預(yù)緊力的提高，使得巷道圍巖塑性區(qū)明顯減少，應(yīng)力分布更加均勻，圍巖變形得到有效控制。

5 結(jié)語

綜合比較兩種支護(hù)方式數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，無論從節(jié)約成本考慮還是預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果考慮，新支護(hù)方案都較原支護(hù)方案更為理想。

通過對(duì)比原支護(hù)方案和新支護(hù)方案的位移量、應(yīng)力分布可以看出，當(dāng)采用設(shè)計(jì)支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，頂板下沉量減少14.6%，左幫移近量減少5%，右?guī)鸵平繙p少11.4%；錨桿的承載力大大增加，錨桿受力大部分都沒有超過屈服極限；

數(shù)值模擬法作為一種新的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過不斷的改進(jìn)和發(fā)展，將逐步應(yīng)用于實(shí)際。

參考文獻(xiàn)

[1]何滿潮.中國煤礦巷道錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2]肖亞寧，馬占國，馬繼剛，等.沿空巷道三維錨索支護(hù)機(jī)理研究[J]，煤礦開采，2011，16（1）.