回風巷錨桿支護及數值模擬問題探討

郭 亮

（山西春成煤礦勘察設計有限公司， 山西 太原 030010）

引言

錨桿支護技術在我國礦山及地下巖土工程中應用已較為普遍，但是對錨桿支護作用機理和錨桿支護巷道破壞機理仍缺乏深入認識，僅在考慮自重應力場條件下得到巷道礦壓顯現規律，而忽略了構造應力場的可能影響。錨桿支護設計單純采用類比法，缺乏一套切實可行的設計規則，且主要使用低預應力甚至無預應力的被動式錨桿支護，錨固力無法保證，同時缺乏對高預應力錨桿支護機理的認識，嚴重影響錨桿支護效果和巷道掘進速度。

1 井田及煤層概況

山西朔州平魯區龍礦大恒煤業有限公司位于朔州市平魯區陶村鄉鐵佐溝村和白土窯村一帶，行政區劃屬平魯區陶村鄉管轄。井田南北長3.85 km、東西寬3.27 km，面積6.909 6 km2。批準開采4～11 號煤層，煤層開采深度為標高890～1 300 m，礦井設計生產能力180 萬t/年，核定能力300 萬t/年。

下組煤西翼回風巷位于9-1煤層一采區，地面標高1 200～1 205 m，巷道標高997～1 061 m，巷道東側及北側為原大恒4-1號煤層“小采”采空區，西側為蘆家窯煤礦邊界保護煤柱，南側為主斜井、回風斜井。煤層走向NS，傾向W，傾角1°～3°，平均傾角2°。巷道掘進過程中整體沿9-1號煤層頂板施工，過斷層時將揭露9-1號煤層頂底板泥、砂巖，9-1號煤層厚6.5 m。9-1號純煤煤層堅固系數1.0。煤層頂底板情況詳見表1。

表1 煤層頂底板情況

根據《下組煤西翼回風巷施工設計》，下組煤西翼回風巷總體上布置在9-1煤層中，沿9-1煤層頂板掘進，局部地段受斷層或其他構造的影響，可能破9-1煤層的頂板或底板。下組煤西翼回風巷采用的斷面規格為：掘寬4 700 mm，掘高3 700 mm，基礎100 mm，S掘=17.4 m2；凈寬4 500 mm，凈高3 500 mm，S凈=15.75 m2，巷道設計長度（平距）為1 056 m。

2 錨桿支護數值模擬

2.1 方案設計

采用FLAC3D有限元軟件[1]進行煤層錨桿支護數值模擬，該軟件是FLAC 軟件的三維擴展形式，涵蓋了FLAC 軟件的全部功能，在此基礎上還可以進行深基坑、邊坡、基礎、硐室等巖土結構的應力、動力分析。FLAC3D軟件能夠模擬包括斷層、節理等支護形式在內的多種巖土工程地質不連續面，并能像有限單元法一樣用于不規則區域、多材料模式連續問題求解[2]。

本文主要應用FLAC3D軟件在所擬定的錨桿支護方案及煤層模型下進行巷道圍巖垂直和水平應力、應變分布規律、圍巖變形特征、屈服范圍大小等的量化計算，并根據量化數據分析巷道支護的必要性及所擬定支護方案的可行性。彈塑性煤層模型設計厚度6.5 m，底板、頂板分別取10 m 和20 m，總設計高度36.5 m，巷道兩幫分別取25 m，巷道設計寬度4.5 m，總寬度54.5 m，并將模型劃分63 200 個單元和68 880 個節點。模型網格劃分如圖1 所示，左右、前后及下部均為固定邊界[3]設計，上部為應力邊界設計，煤層設計埋深180 m。采用Mohr-Coulomb 準則進行巖體屈服破壞判斷[4]，公式如下：

圖1 數值模擬模型網格劃分圖

式中：fs為反映剪切破壞程度的變量，fs取0 時表明材料發生剪切破壞；ft為反映拉伸破壞程度的變量，ft取0 時表明材料發生拉伸破壞；σ1為主應力最大值，MPa；σ3為主應力最小值，MPa；C 為材料黏結力，MPa；Φ 為材料內摩擦角，（°）；NΦ為材料內摩擦角作用力系數，NΦ=（1+sinΦ）/（1-sinΦ）；σt為抗拉強度，MPa。

2.2 支護條件下回風巷模擬

2.2.1 圍巖屈服破壞分析

在錨桿支護條件下，由巷道圍巖屈服破壞分布情況可知，圍巖屈服破壞范圍與無支護條件相比明顯減小，表明采用錨桿支護措施后圍巖屈服破壞得到有效控制。圍巖屈服破壞分布如圖2 所示。

圖2 支護條件下的巷道圍巖屈服破壞圖

2.2.2 圍巖垂直應力

根據對本煤層錨桿支護條件下巷道圍巖垂直應力分布情況的分析看出，巷道兩幫圍巖垂直應力的分布狀態明顯比無錨桿支護好，且兩幫垂直應力表現為明顯的對稱分布態勢[5]，應力降低區普遍降至0.5 m，0.5～1.0 m 以上的區域內應力處于平衡狀態，1.0 m 區域外則為垂直應力升高區，應力升高后的峰值在1.1 m 處達到8.9 MPa。巷道在錨桿支護條件下的圍巖垂直應力分布云圖如圖3 所示，由圖可知，圍巖兩幫垂直應力升高區范圍向巷道內側擴大趨勢明顯，充分表明圍巖兩幫錨桿支護后垂直應力峰值向巷道深部轉移的趨勢得到有效遏制，兩幫圍巖結構強度顯著提升，所形成的錨固結構體強度較高。

圖3 支護下巷道圍巖垂直應力（Pa）云圖

2.2.3 圍巖水平應力

巷道圍巖水平應力分布云圖如圖4 所示，根據對本煤層巷道圍巖水平應力分布情況的分析可以看出，錨桿支護后巷道頂、底板水平應力分布均勻，且頂板水平應力降低的范圍呈縮小趨勢，錨固結構體強度顯著提高，頂板1.8 m 外圍巖的水平應力逐漸升高至原圍巖應力水平后在錨固范圍內形成高應力錨固結構體，錨固于上方原圍巖應力區的錨索對錨固范圍內高應力錨固體起到懸吊加固[6]作用。巷道頂板圍巖水平應力分布處于穩定狀態。

圖4 支護下巷道圍巖水平應力（Pa）云圖

2.2.4 圍巖位移分布

巷道圍巖垂直位移分布圖、水平位移分布圖如下頁圖5、圖6 所示，根據對本煤層巷道圍巖垂直位、水平位移分布情況的分析可以看出，煤層巷道頂板最大下沉量可達23.47 mm，最大底鼓量達6.9 mm，頂底板最大移近量值達30.37 mm；左幫、右幫移近量分別為32.6 mm 和25.0 mm。與無錨桿支護相比較，巷道頂板沉降量、底鼓量、頂底板和兩幫移近量[7]等均得到有效控制。

圖5 支護下巷道圍巖垂直位移（m）分布圖

圖6 支護下巷道圍巖水平位移（m）分布圖

2.3 模擬結果分析

根據對回風巷無支護情況的分析，巷道頂板處垂直應力存在降低趨勢，且兩幫垂直應力的峰值也接近1.0 m，頂底板及兩幫最大移近量分別達89.7 mm 和106.8 mm，回風巷圍巖屈服破壞程度較嚴重，若不采取及時有效的支護，必然導致頂板垮落范圍增大，兩幫片幫。依據錨桿支護擠壓加固理論[8]及相關錨固原則，如果整體錨固結構體主要由屈服破壞范圍內的頂板和兩幫圍巖形成，則頂錨桿、幫錨桿、錨索長度應分別取2.0 m、1.6 m 和6.3 m。通過分析支護條件下回風巷模擬結果發現，巷道兩幫圍巖垂直應力分布狀況明顯比無支護條件下好，且兩幫垂直應力核區范圍呈增大趨勢，頂板水平應力降低范圍及圍巖屈服破壞范圍減小，錨固結構體強度顯著提升，且頂底板與兩幫移近量得到顯著控制。

3 結語

通過對煤層回風巷錨桿支護效果的有限元模擬分析可以看出，錨桿支護能有效控制巷道圍巖變形，且巷道頂底板是巷道圍巖穩定的基本方面，必須重視巷道頂底板的支護，并同時加強兩幫下隅角處的支護處理。現場實踐證明，在山西朔州平魯區龍礦大恒煤業9-1煤層一采區下組煤西翼回風巷沿底掘進實施錨桿支護切實可行，且錨桿支護方案實施后能在一定程度上阻止頂板裂隙產生，并預防裂隙擴大、貫通并最終導致巷道坍塌，有利于綜采快速推進及人工勞動強度降低，對增產高效礦井建設具有積極意義。