基于FLAC 的采空區下煤層巷道支護研究

孔立平

（陽泉市南莊煤炭集團有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

礦山開采塌陷是采礦安全問題中的主要問題，如何避免此類塌陷事故的發生是煤礦行業的主流研究方向[1]。煤礦巷道圍巖結構復雜，難以估計其結構強度，若打圍加固過程中處理不善，很容易導致巖石塌陷。因此目前應用較為廣泛的錨桿支護技術存在不可控因素，應用不當就可能導致重大的安全事故。所以如何兼顧安全與生產效益、如何確保支護系統的可靠性等問題的研究具有重要意義[2-3]。

1 FLAC 軟件簡介

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）為ITASCA 開發制作的仿真分析軟件，其主要優勢在于能夠模擬土質、巖土以及其他一些塑性較強特殊材料的力學特征，具有比有限元更強的非線性問題處理能力。在外力作用下，塑性材料可能產生材料破碎，存在大范圍的位移。當材料發生屈服流動時，單元仍然能夠很好地模擬與塑性材料相同的變化特征，應用于巖石的應力應變分析十分有利[4]。

與此同時，FLAC 采用顯示拉格朗日法來計算結構力與形變之間的關系，不同于常規有限元計算，有賴于結構總剛度矩陣的特點，該軟件的計算算法對模型的建模要求、網格劃分質量都不會有太高的要求。由于無須求解階數巨大的矩陣參數，所以在模型求解過程中具有占用內存小、計算速度快等特點[5]。可以實現對非線性大變形、結構大扭曲，以及巖土特有的一些特性進行模擬，如：地下滲流、巖土沉降、錨桿安置、混凝土回填、洞室邊坡開挖等，尤其是對于錨桿、錨繩的快速設置，大大簡化問題的研究難度。輸出的結果包括主應力坐標系的分布向量σx、σy、τxy，以及位移Ux，Uy提取錨桿所受的載荷等參數。能夠模擬出煤礦挖掘過程對巖土位移、變形的影響，可以借此更加直觀了解到圍巖的特征，對分析巷道結構穩定性具有重要作用[6]。

2 模型的建立與分析

2.1 模型的建立

基于青東煤礦某機巷組合支護系統建立模型，從求解模型的角度綜合考慮巖層塑性力學特性和彈性力學特性，本模型的尺寸設置為實際工程結構尺寸水平方向的3～4 倍，豎直方向的2～3 倍，模擬自然狀態下煤層傾斜角度，傾斜角設置為11°，根據實際情況與模型特性，建立100 m×40 m 的分析模型，其中上層施加的圍巖應力P 根據厚度500 m 深度計算得到，如圖1 所示。

圖1 模型示意圖

2.2 邊界條件的設定

由于2 煤下部處于巷道下底部，不會產生豎直向上的位移，因此在模型處理的時候將底部設置為固定約束。模型的左右邊界X 方向的位移固定，即模型的X 方向的邊界不會發生沿著X 方向的位移。

通常情況下，上層巖土中沒有關鍵層時，可以將上部圍巖對模型上邊的壓力視為均布載荷。但在本模型中，在巷道的施工中對上層圍巖的破壞很小，所以上層圍巖所形成的壓力可以簡化為均布載荷。由此可以計算壓力P 值P=ρgh。式中：ρ 為圍巖密度，取2 500 kg/m3；g 為重力加速度，取9.83 m/s2；h 為圍巖高度，取600 m。將數值代入公式得P=1.475×107Pa。

2.3 網格劃分與材料設置

為更合理地研究支護系統對巷道的影響，根據青東煤礦提供的該礦所處位置的地質資料，以及支護系統錨桿、錨繩支護時的特性，綜合選定模型所涉及的參數。先對模型中的具體參數做如下說明：煤層3 m，再向上緊接著0.5 m 的泥巖。如上頁圖1 中1煤為1.5 m，8.0 m 的中粒砂巖，5 m 泥巖，粉砂巖14 m。模型豎直方向按實際巖層分層劃分。

模型大部分區域使用0.5 mm×0.5 mm 的單元塊，兩側使用區域使用1.0 mm×0.5 mm的單元，對采用區的網格進行處理是注意網格劃分質量，模型共計劃分得到12 510 個單元。而各個巖層所對應的材料參數見表1 所示。

表1 液壓支架參數

3 巷道支護模型分析

為了對比說明支護系統對巷道應力應變的改善情況，設置兩個煤層巷道模型，即有巷道支護系統和無巷道支護系統。設無支護時巷道開挖后應力分析模型為模型A，有支護時巷道模型為模型B。在計算過程中，首先應計算原始狀態下巖層的應力初值，得到機巷開挖前的應力分布。再根據采空區工作面回采2 煤時的巖層應力，選擇合適的、合理的機巷初始挖掘位置，最后設置模型A、模型B，計算得到加支護系統后地巖層應力的影響。

3.1 無支護巷道模型分析

在巖層分析過程中，由于垂直方向應力，即σy的值遠遠大于水平方向σy的值，所以σy的分布能夠反映整體總應力的分布情況，所以在模型A、模型B 的分析過程中主要參考垂直方向應力。如圖2 所示為無支護系統時，巷道垂向應力分布情況。

圖2 無支護時巷道垂直應力（Pa）

根據應力計算結果，與初始未開挖前巖層應力相比，機巷的開挖使得區域垂直應力重構，使得應力集中增加的區域往左右兩側轉移。巷道左右兩側4～5.5 m 范圍內應力值在20～26 MPa 左右，往內走，左右兩側0～4 m 的范圍內，應力值在6～9 MPa 區間內，再向兩側拓寬，應力分布左右顯著不同。左側高應力區區域大于右側，應力值也更大，左側應力值范圍為25～31 MPa。由圖2 可知，在巷道附件上下、左右應力分布均較小，基本處于0～3.5 MPa 范圍內。

3.2 有支護巷道模型分析

建立模型B，即在模型A 的基礎對機巷道壁面增設錨桿支護系統。支護系統采用的錨桿規格：M20 mm×2 400 mm，錨索梁規格為Φ14.3 m×5.5 m。桁架錨索的預緊力設定為65 kN，錨索張緊狀態下，對幫部的水平作用力0.35 MPa 左右，因此在模型中可以設定均布載荷P 的值為0.35 MPa，如圖3 所示。

圖3 巷道支護系統建模

分析求解模型B 可以得到在支護系統添加后，巷道周圍應力狀分布況，模型B 計算得到結果如圖4 所示。

圖4 有支護時巷道垂直應力（Pa）

圖4 結算結果顯示，在距離巷道左右兩側3～5 m范圍內，應力最大，應力值在30～35 MPa 范圍內，在巷道左右兩側0～3 m 范圍內應力較小，應力值范圍為10～15 MPa。與沒有支護系統巷道模型計算結果相比，加支護系統后，整體應力分布情況分布趨于平衡。巷道兩側高應力區范圍縮小，地應力區范圍縮小，即高應力區的應力由支護系統合理傳遞分配到應力較小的區域，由此達到平衡狀態，結果表明支護系統對圍巖的應力狀態的調整起了很大作用。

4 對巷道的施工建議

1）根據仿真模型的計算結果顯示，在巷道施加支護系統對其整體穩定性、應力分布情況有比較大的改善，但是在控制巖土位移量時不佳，因此在實際巷道支護時應考慮對巖土特性進行分析，應采取更加有效的強支護措施。

2）錨桿支護結構在安裝時，為確保支護效果，應對錨桿施加足夠的預緊力，對于巷道的支護起重要作用。

3）本模型計算時，對某些參數設定做了簡化處理，在實際巷道支護問題的研究過程應更加充分，采取更為安全、保守的支護措施。

5 結論

1）FLAC 軟件對于巷道支護系統的分析具有較大優勢，可以在軟件中直接設定錨桿、巖土層材料參數，對于巷道支護方案設計、施工均具有較大的參考意義。

2）計算結果表明，安裝支護系統可有效緩解巷道周圍巖層壓力分布情況。壓力分布更加區域均布，特別是對于巷道周圍較近的塑性區巖層改善較為明顯。

3）采用支護系統后，對于圍巖的應力分布狀況改善明顯，尤其是改善了圍巖拉伸應力區的分布情況，模型B 計算結果顯示巷道周圍基本沒有出現較大范圍的拉伸應力區。