數值模擬在巷道支護優化設計中的應用

荊 琪，賈 超

（黃陵礦業公司一號煤礦，陜西 延安 727300）

巷道圍巖控制是影響煤礦生產的關鍵技術問題之一。隨著煤炭開采范圍增加、環境惡化、采動影響等因素使巷道圍巖產生大變形、破壞，嚴重影響了煤炭資源的安全、高效開采。若支護選擇和設計沒有科學依據，可能達不到理想的支護效果，巷道圍巖將產生局部變形并導致破壞失穩，也可能造成支護材料浪費，單進水平低。

國內外對錨桿支護有大量的研究，但是由于錨桿支護的對象—不同煤（巖）層巷道周邊的工程巖體，其所固有的非均質性、非連續性、各向異性以及采掘過程的復雜性等，使得錨桿支護設計沒有統一的標準模式。許多錨桿支護設計都是按經驗或工程類比法來完成的。這對于不同煤層賦存條件和開采技術條件變化極大的煤系地層而言，顯然是不夠科學的［1］。

1 工程概況

黃陵一號煤礦1008 進風順槽位于十盤區中部，東接北一進風大巷，西鄰六盤區。頂板為粉砂巖，底板為泥巖，為半煤巖巷道，在掘進期間整體穩定性較好，但底板局部破碎、順槽中部頂板部分破碎，巷道幫部下側破碎較為嚴重。

以1008 進風順槽為工程背景，擬采用數值模擬分析手段，達到優化巷道支護設計方案，以期能為我礦順槽支護方式提供指導意見。

2 模擬條件

采用FLAC3D數值模擬軟件，對模型施加摩爾庫倫本構關系，計算模型尺寸為55 m×4 m×44 m。由于本研究主要針對掘進期間巷道變形特征情況，一般地，巷道塑性變形破壞的主要影響范圍為3～5 倍的巷道尺寸；1008 進風順槽為矩形巷道，巷寬4.8 m，巷高2.8 m，故在3 倍巷道尺寸范圍內即主要影響區以0.1～0.5 m 放射狀網格尺寸建模，在3～5 倍范圍內即次要影響區以0.5～1 m網格尺寸建模，著重分析主要影響區范圍內巷道變形破壞情況。對模型頂面施加均布載荷，模型兩邊施加水平應力，對模型四邊固支，同時限制底面位移，同時施加重力梯度考慮模型自重［2］。巖體物理學參數見表1，數值模擬模型見圖1。

圖1 數值模擬模型

表1 巖體物理力學參數

3 支護方案

結合礦井實際情況，1008 進風順槽巷道破碎主要集中在巷道幫部與頂板，巷道底板完整性相對較好，故擬通過優化巷道支護參數，在保證安全的前提下節約巷道支護成本［3］。具體支護方案見表2。

表2 設計方案

4 模擬分析

4.1 方案1

圖2 為方案1 巷道掘進時期垂直應力云圖，巷道圍巖應力分布整體呈“駝峰”型分布，最大應力集中區域在巷道幫部兩個頂角處，最大應力達到21.05 MPa，最大應力集中系數為2.105。推測在推進過程中，巷道頂角處最先發生破壞；巷道幫部應力集中區主要在下側，由于巷道為半煤巖巷，巷道幫部上側為砂巖，巖體自身強度大，巷道幫部下側為煤體，煤體強度較弱，故推測此時巷道幫部下側發生破壞；巷道底板同樣發生應力集中，但應力集中程度較弱，此時巷道底板較為完整［4］。

圖2 方案1 垂直應力

圖3 為方案1 巷道掘進時期垂直位移云圖。圖中巷道頂板中線位置處頂板下沉最為嚴重，最大下沉值達到7.12 mm，巷道底板中心位置鼓出最為嚴重，最大底鼓量達到2.2 mm，巷道位移變形量沿著頂底板中線向兩側逐漸減弱［5］。

圖3 方案1 垂直位移云圖

圖4 為方案1 巷道掘進時期塑性區分布云圖，巷道在掘進期間頂底板破壞范圍不大，其中頂板最大破壞深度達到0.5 m，底板最大破壞深度達到0.6 m，此時巷道頂底板較為完好；主要的破壞區域集中在巷道幫部下側，幫部上側位置塑性破壞較下側明顯減少，分析原因是由于幫部上側處于砂巖段，推測此時巷道幫部上側較下側更為完整，但存在局部破碎，這與垂直應力的分析結果是一致的。

圖4 方案1 塑性區分布云圖

4.2 方案2

圖5 為方案2 情況下巷道掘進期間垂直應力分布云圖，巷道圍巖應力分布整體呈“駝峰”型分布，最大應力集中區域在巷道幫部兩個頂角處，最大應力達到22.76 MPa，最大應力集中系數為2.276。較方案1 來說，最大應力值增大1.71 MPa，同比增長8.12%。推測在推進過程中，幫部頂角處最先發生破壞；巷道幫部應力集中區主要在下側，由于巷道為半煤巖巷，幫部上側為砂巖，巖體自身強度大，幫部下側為煤體，煤體強度較弱，故推測此時巷道幫部下側發生破壞；巷道底板同樣發生應力集中，但應力集中程度較弱，此時巷道底板較為完整。

圖5 方案2 垂直應力分布云圖

圖6 為方案2 情況下巷道掘進期間垂直位移云圖，巷道頂板中線位置處頂板下沉最為嚴重，最大下沉值達到6.47 mm，較方案1 相比，最大下沉值下降了0.61 mm，最大下沉值同比降低8.56%，巷道底板中心位置鼓出最為嚴重，最大底鼓量達到2.11 mm，巷道位移變形量沿著頂底板中線向兩側逐漸減弱［6］。

圖6 方案2 垂直位移云圖

圖7 為方案2 情況下巷道掘進期間塑性區分布云圖，巷道頂底板整體破碎情況較小，巷道頂板剪切破壞深度達0.3 m，底板剪切破壞深度達0.6 m，與方案1 相比較，頂板破壞深度減小0.2 m，同比下降40%，兩幫破碎情況與方案1 相差不大，在此不再分析。

圖7 方案2 塑性區分布云圖

綜合兩方案對比分析，得到以下結果：

（1）方案2 相較方案1 最大應力集中峰值上升了1.71 MPa，同比上升8.12%，垂直位移減少0.61 mm，同比下降8.56%，頂板塑性區發育高度下降0.2 m，同比降低40%；方案2 比方案1 頂板下沉量減少，頂板塑性區發育區域減少。由此可見，方案2 支護效果更佳。

（2）模擬巷道循環推進距離為4.8 m，方案2比方案1 頂板錨桿增加0.25 根/m，方案2 比方案1 幫錨桿增加0.67 根/m，錨索梁減少0.21 套/m；現場實測，方案2 比方案1 支護效率提高15%，按照每天平均掘進16 m 計算，方案2 比方案1 每天掘進進尺提高2.4 m，方案2 較比方案1 每米費用降低186 元；方案2 支護效率顯著提高，支護成本明顯降低。

5 結語

以黃陵礦業公司一號煤礦1008進風順槽支護為背景，擬用數值模擬方法對巷道支護進行分析；探討如何優化選擇支護方案，既提高支護效率，又降低支護成本；并經現場實測得到驗證，可為煤礦巷道支護選擇提供了經驗借鑒。