基于Phase2 有限元法驗算巷道支護設計強度

張建陽

（兗州煤業股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273500）

0 引 言

東灘煤礦位于山東省鄒城市境內，其井田位于兗州煤田東部，核定礦井生產能力750 萬t/a。14320軌順聯絡巷（南段）位于東灘井田北翼的十四采區北部，巷道支護設計采用懸吊理論為計算依據[1]，主要驗算了錨桿和錨索的長度，合理的巷道支護設計不僅可以保證巷道的安全使用，還可以節約不必要的支護費用投入。RocData 軟件是一款巖土不連續體強度分析軟件，可以利用巖石基本的力學參數轉換成多種強度準則下的巖體力學參數。有限元法是利用多個彼此聯系的單元體組成的物理模型來近似實際的結構體或連續體[2]，Phase2 軟件是一款具有錨桿、錨索等支護結構分析功能的彈塑性有限元分析軟件[3]，利用該軟件可以方便、直觀、形象模擬圍巖條件、邊界條件和各種斷面形狀巷道的應力場與形變場等因素對于巷道設計支護強度的影響。本文利用有限元法的數字模擬來驗證采用經驗計算法的巷道支護設計強度，從而增加了巷道支護設計的可靠性，也為巷道后期施工和支護加固提供了理論依據。

1 工程概況

14320 軌順聯絡巷（南段）采用半圓拱斷面，巷道凈寬4 600mm，凈高4 300mm，墻高2 000mm，巷道采用錨網噴永久支護（如圖1 所示），錨桿間排距1 000×1 000mm，支護材料為高強度左旋全螺紋錨桿（巷道頂板采用8 根Φ20mm×2 200mm 錨桿，巷道兩幫部采用6 根Φ20mm×1 800mm 錨桿)，巷道頂板中線位置布置一排Φ20mm×8 000mm 錨索,巷道頂板及兩幫鋪設Φ6.4mm 鋼筋網，噴射50mm厚混凝土，巷道底板鋪設150mm 厚混凝土地坪。

圖1 東灘煤礦14320 軌順聯絡巷（南段）支護設計示意圖

2 數值模型建立

本文以東灘煤礦14320 軌順聯絡巷（南段）為工程實例，再結合東灘煤礦的地質條件和地應力情況[4]，利用RocData 軟件將實驗室巖石力學基本參數轉換成巖體力學參數,建立數值模型所選取的主要計算參數見表1。施加在數值模型上邊界的原巖應力以自重引起的鉛直應力為主為16MPa，施加在模型側面邊界的水平地應力為24MPa；模型四面為位移邊界，由于埋深達到550m，所以限制四面邊界的水平和垂直位移。在14320 軌順聯絡巷（南段）實際施工過程中，巷道斷面分兩個階段完成爆破開挖，第1 階段爆破上部半圓拱部分，第2 階段爆破下部矩形部分。在這兩個階段開挖過程中不能立即施加永久支護，而是要相隔一定的時間，巷道圍巖會在這段時間內由于應力釋放產生位移和變形。為使數值模型更加真實，應用Phase2 軟件自帶的荷載拆分功能將荷載合理分配到2 個開挖階段，而不是一次性施加到第1 階段[5]。

表1 模型主要計算參數

數值模型計算采用霍克-布朗強度準則[6]，泥巖和細砂巖巖體的應力應變均在其彈塑性范圍內變化。建立數值模型長為30.4m，高為30.1m，模型共劃分節點數995 個，單元體網格1806 個，所建模型如圖2 所示。

圖2 14320 軌順聯絡巷（南段）巷道數值模型（左圖無支護,右圖有支護）

3 數值計算結果分析

根據圖3 巷道整體變形分布云圖可知，變形部分集中出現在巷道左幫至頂板中央處，其中無支護巷道的整體最大變形量為110.55mm，根據巷道現場使用的實際情況，當頂板或兩幫的變形量大于120mm 時，就必須進行擴刷和支護加固，因為巷道已經無法滿足安全使用的需要。在無支護條件下的巷道變形量已接近允許的極限范圍，需要進行支護加固作業，而有支護巷道的整體最大變形量僅為70.34mm，巷道采用的支護設計使其整體最大變形量減少了36.4%；根據圖4 巷道的水平變形分布云圖可知，水平變形部分集中出現在巷道兩肩窩處，并呈“同心圓”狀向兩側斜上45°方向逐漸減小，其中巷道的最大變形出現在巷道左幫泥巖和細砂巖巖體分界區域上處，無支護巷道的最大水平變形量為97.58mm，有支護巷道最大水平變形量為65.63mm；垂直變形分布云圖（如圖5 所示）與整體變形分布云圖相似，垂直變形集中出現在巷道左幫至頂板中央處，且兩者數值接近，其中無支護巷道的垂直最大變形量為107.49mm，有支護巷道的垂直最大變形量為51.64mm。圖6 為巷道圍巖的最大剪切應變分布云圖，從最大剪切破壞區域的分布可以分析出巷道的塑性區分布在巷道兩幫至頂板處外延0.4～1.0 m 左右，以及巷道兩角應力附近區域，且明顯集中分布在泥巖巖體之中。

圖3 14320 軌順聯絡巷（南段）巷道整體變形分布云圖（左圖無支護,右圖有支護）

圖4 14320 軌順聯絡巷（南段）巷道水平變形分布云圖（左圖無支護,右圖有支護）

圖5 14320 軌順聯絡巷（南段）巷道垂直變形分布云圖（左圖無支護,右圖有支護）

圖6 14320 軌順聯絡巷（南段）巷道垂最大剪切應變分布云圖

根據數值模型計算結果分析可知，14320 軌順聯絡巷（南段）所在圍巖整體穩定性較差，尤其在泥巖巖體中或泥巖與砂巖巖體分界區域開拓的巷道可能存在冒頂、片幫、鼓底和頂底板縮進量過大等風險，而有支護巷道基本可以保證巷道的安全使用，有效降低了兩幫和頂底板的縮進量，且錨桿和錨索的錨固長度在巷道的塑形區域之外，可以提供良好的支護作業，利用懸吊理論計算的東灘煤礦14320 軌順（南段）巷道支護設計基本滿足設計強度需要，但需要對巷道特殊部位，特別是巷道左幫泥巖和細砂巖巖體分界處加強監測和支護［7-8］。巷道兩底角也存在變形量較大、剪切應力較集中的風險，甚至有可能出現“壓- 剪”形式的破壞［5］，在施工巷道底角排水溝時需加強現場工程質量管理。

4 結 論

本文以東灘煤礦14320 軌順聯絡巷（南段）為工程實例，結合現場實際地質資料和巖石力學參數，通過RocData 軟件確定了霍克布朗強度準則計算所需參數和建立數值模型所需的巖體力學參數。再利用Phase2 有限元分析軟件分別建立了無支護和有支護條件下巷道的數值模型，通過分析巷道模型圍巖的變形場和塑性場分布規律，有效地模擬了巷道在支護前后的變形量差異和塑性區域分布規律，從而驗證了利用懸吊理論計算的巷道支護設計強度滿足工程需要，也為巷道部分區域適當加大支護強度提供了理論依據。初步為巷道支護設計強度和后期加固措施提供了一定的參考。