基于拉格朗日有限差分數值模擬的巷道掘進技術研究

王峰

摘 要：針對大斷面煤礦巷道快速掘進，在保障作業安全性的基礎上，通過評價干擾掘進進度的各項原因，針對影響進度的關鍵要素逐一進行解決，以保證采掘接續作業能夠順利進行。

關鍵詞：大斷面；快速；掘進；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.106

國內的煤礦工程大多屬于地下開采，煤礦巷道的環境比較特殊、巷道圍巖應力多變，使得在采礦掘進作業以及維修方面有難度，巷道掘進的成本大、工程量大、不夠安全。如今煤礦掘進已經實現33%的機械化作業，大幅增加了巷道的掘進量、月進尺以及年進尺的長度。隨著煤炭等基礎能源的需求量增加，大斷面巷道的快速掘進會越來越多，必須通過采用新思路、新方法、新技術，增加大斷面巷道的施工進度，促進煤炭企業的長遠發展[1]。

1 FLAC3D數值模型

采用拉格朗日有限差分數值模擬的方法構建數學模型，通過求解連帶方程來模擬工程中應力的變化。該模型能夠有效地應用在巖土工程和采礦工程中，清晰地顯示工程中各處巖石的受力情況。在施工過程中該模型的應用比較廣泛，無論是時間上還是空間上，巷道圍巖的應力情況都能夠明確顯示，針對干擾巷道穩定性的各種因子，制定解決方案。與測量、理論和物理模擬相比，數值模型能通過模擬巖體的各種結構特性，如邊值、構造面等，來模擬采礦工程的提前量，預測可能發生的情況。由于模擬的結果精確有效，該模型已經應用到了包括采礦業在內的各種巖土工程中。

根據設計要求試驗工作面運輸順槽斷面選為矩形，毛寬 5.6m，毛高4.4m，凈寬5.4m，凈高4.3m，開口位置為工作面運輸順槽運輸聯絡巷處。為保證模擬結果能夠觀測到巷道開挖及不同錨桿預應力條件下巷道圍巖應力的擴散狀態，模型大小應在各方向均大于巷道開挖的影響半徑（一般為巷道直徑的 3～5 倍范圍）。同時，考慮到計算機的運算速度，特將模擬范圍設定為長×寬×高=60m×5m×35.5m 的區域，劃分網格為90×20×61個，共生成109800個區域以及 118482 個節點。

2 分析錨桿的支護參數

2.1 確定錨桿的最佳直徑

巷道圍巖的控制程度與錨桿提供給圍巖的支護阻力有關，該阻力與錨桿的直徑又有很大關系[3]。在錨桿的長度和材料固定不變時，錨桿的直徑成為影響錨桿支護阻力大小的直接因素。對支護的相關理論進行綜述，并結合實際的實驗數據發現：錨桿半徑的平方與支護的阻力以及支護系統的強度成正比例的關系。此外，施工也會影響錨固力的大小，通過對錨桿直徑和鉆孔進行匹配發現，如果直徑和鉆孔的參數接近的話，安裝會存在難度；但是當數據差距較大時，錨桿工作的阻力也會有所降低。

本文研究以試驗煤層頂板為例，為強度較低的砂質泥巖。按照圍巖的地質情況以及試驗工作面運輸順槽的現場維護條件，將試驗工作面運輸順槽頂板的錨桿明確為高強度的Φ20mm左旋螺紋鋼；兩幫錨桿為高強度的Φ18mm玻璃鋼。分析地質條件以及工作面的數據后發現，錨桿的直徑參數保持不變時，影響支護的主要因素為錨桿的間排距和長度。FLAC3D數值模型可以模擬錨桿的間排距和長度，模擬的結果作為參考，用來優化試驗工作面運輸順槽的支護參數。

2.2 確定錨桿的最佳長度

研究錨桿的最佳長度時，將錨桿的間排距設定為1000×1000，錨桿的直徑設定為Φ20mm，幫錨桿的直徑設定為Φ18mm，此外也設定好其它的參數和影響因素。在此基礎上在改變錨桿長度的過程中觀察巷道的穩定性，最穩定的狀態即為錨桿的最佳長度。借鑒臨近輔運上山的支護效果，來微調選取的錨桿長度，并制定多種不同錨桿長度的支護方案。

數值模擬結果顯示分為三種應力場，分別為垂直應力分布、錨固應力場以及頂幫錨桿圍巖應力場。由于錨桿會影響對頂板應力場的觀測，為了更精確系統地觀測、對比分析，上圖中沒顯示錨桿。根據垂直應力分布圖可以看出，這幾個方案的應力分布存在規律相似的情況，水平方向上的應力降低區發展深度較小，應力升高區比較明顯，垂直方向上的應力降低區發展深度較大，但是不存在應力升高區。根據錨固應力場圖可以看出，在對錨桿施加預緊力后，巷道和錨桿成為一個統一的整體，錨桿對巷道的支護力度增加，應力區在圍巖附近呈“倒凹”型，錨桿長度增加后，壓應力區的厚度和范圍也有所增大，擴大錨桿的作用范圍后增加了錨桿的支護程度，控制了巷道圍巖的變形程度。同時，錨桿中上部和兩錨桿之間中部圍巖的壓應力逐漸減小。可以得出預緊力一定時，錨桿的長度越大，預應力的作用越小，錨桿的支護作用越弱。所以，要想維持較好的支護效果，應當增加施加的預應力，并適當地降低錨桿的長度[3-4]。

3 結論

（1）在設定預緊力的情況下，通過設定頂錨桿的不同長度、模擬幫錨桿的配對方式發現，錨桿的長度越大，預應力的作用越小，錨桿的支護作用越弱。要想維持較好的支護效果，應當增加施加的預應力，并適當地降低錨桿的長度。通過觀測圍巖的變形程度發現，為了維持錨桿對巷道支護的最佳作用，需要減小頂板的下沉量，因此微調增加了頂錨桿的長度，將頂錨桿的最佳長度確定為 2.4m，預估經濟效益以及對圍巖的控制效果后，將幫錨桿的最佳長度確定為2.0m。

（2）錨桿的軸向應力分布呈現出規律相似的三個階段，分別為高應力階段、應力急劇減小階段以及小應力階段。從1.4m位置到錨桿端部，錨桿的軸向力數值已經很小，但仍然有減小的趨勢，在頂錨桿2.4m、幫錨桿2.0m位置以后，軸向力基本減小為零，可見錨桿的長度到達一定程度后，過長的那段對錨固已經不起作用。

參考文獻：

[1]高云峰，江小軍.淺談我國煤礦巷道掘進裝備技術[J].煤炭工程，2010（10）：110-112.

[2]陳稼軒.深井復雜條件下底板巖巷預應力錨桿支護技術[J].煤炭科學技術，2006（04）：22-24.

[3]徐東強，錢鳴高.不同地應力條件下錨桿支護機制數值模擬分析[C].第四屆全國地下冶金礦山新技術學術研討會論文集，2001（11）：35-37.

[4]宋德彰，孫鈞.錨噴支護力學機理的研究[J].巖石力學與工程學報，1991（02）：197-204.