不同開采條件下巷道表面變形數值分析

金燕燕 （安徽城市管理職業學院，安徽 合肥 230601）

0 前言

隨著經濟的增長，社會對能源的需求量越來越大，其中煤炭資源的需求也在不斷攀升，淺部煤炭開采已經極少，人類對煤礦開采的深度迅速增加。相關研究表明，煤礦開采巷道圍巖表面變形隨原巖應力的增大而增加，原巖應力大小與巖石深度密切相關，深度增加，原巖應力相應的增加[1-2]。對控制深部煤礦巷道圍巖表面最大變形技術的研究迫在眉睫。目前，對巷道圍巖表面變形理論研究僅局限于巷道截面為圓形[3-5]，而工程常見巷道多為矩形截面，應用理論公式分析圍巖表面變形量大小與實際相差較大。對矩形巷道利用數值分析軟件計算圍巖表面變形更加合理。本文采用ANSYS大型有限元分析軟件模擬常見幾種深部開采條件下矩形巷道圍巖表面最大變形，對變形較大試驗組采用對稱添加錨桿方式進行支護，對錨桿支護效果較差，采用注漿改善巖性再添加錨桿支護，進而設計出不同條件下的巷道支護方案。

1 計算模型

為了消除邊界效應的影響，巷道計算邊界長度按巷道直徑的5-10倍選取，巷道斷面設計尺寸見表1。巷道斷面數值計算模型如圖1，巷道下部x、y方向約束位移，兩側巖翼x方向約束位移，頂部施加均布荷載，相當于該埋深條件下的原巖應力大小，應力大小見表1。

圖1 數值計算模型

不同因素各水平取值 表1

2 ANSYS軟件數值分析

2.1 巷道未支護數值分析

針對目前深部煤礦開采巷道常見開采條件利用正交試驗設計出25組試驗巷道模型，利用ANSYS大型模擬軟件模擬25組試驗巷道模型在未添加任何支護條件下的圍巖表面最大變形量。其中巷道圍巖巖性模擬參數見表2。

圍巖巖性參數 表2

對3因素5水平利用正交試驗設計25組試驗巷道數值分析圍巖表面變形，最大變形均為巷道兩幫圍巖，試驗數據如表3。通過該試驗數據正態分布模擬得出巷道圍巖表面變形隨巷道寬度、原巖應力及粘結力三個不同因素的影響規律如圖2。

圖2 圍巖表面變形隨因素變化

25組試驗巷道圍巖最大變形值 表3

通過對以上數據分析得到：巷道圍巖表面變形隨巷道寬度的增加而增加，在一定范圍內增加的速率不同，數據顯示當巷道寬度在5m到6m時，極差較大，說明在一定范圍內巷道圍巖表面變形受巷道寬度的影響較為顯著。原巖應力的大小對巷道圍巖表面變形近似線性增加，原巖應力越大，即巷道埋深越大，則圍巖表面變形越大。巷道圍巖變形隨粘結力的增大而減小，即巖性越好，則巷道圍巖表面變形越小。

2.2 圍巖表面變形超過允許值支護方案設計

對以上25組試驗巷道模型未添加任何支護條件下巷道圍巖表面變形超過相應巖性允許值可對稱逐一添加錨桿控制圍巖表面最大變形量，錨桿設計參數：直徑Φ=22mm(A=0.000380m2)，彈性模量 E=20GPa，密度 ρ=7850kg/m3，泊松比 λ=0.2，初始應變 ε=0.00455,間排距800mm×500mm，預緊力40kN。根據圍巖表面最大變形量不同選取不同的錨桿長度，當變形量不超過400mm時，錨桿設計長度2000mm，當變形量超過600mm時，錨桿設計長度3200mm，其間錨桿長度2500mm。

表3數據顯示25組試驗巷道模型條件下巷道兩幫圍巖表面變形量，對比表2相應巖性允許變形值的大小，序號2、13、16、21、22、24組合開采條件下的巷道圍巖表面最大變形超過允許值。對其分別對稱逐一增加錨桿數量，進行錨桿支護模擬使其變形控制在允許范圍內進而設計出錨桿支護方案。對于部分條件下，當增加錨桿數量時，圍巖表面變形仍未減小，可通過改善圍巖巖性即提高巖石的粘結力與內摩擦角，再逐一添加錨桿，目前常見改善巖性的方式是壓力注漿。對變形較大的六組試驗數值模擬結果，其控制在允許范圍內的支護方案設計如表4。

25組試驗支護方案設計 表4

3 結語

①深部煤礦巷道圍巖表面最大變形受不同因素的影響性從小到大依次為斷面尺寸→原巖應力→巖性，其中改善圍巖巖性能達到巷道穩定的效果，分析影響因素可得矩形巷道的最佳設計寬度尺寸為4m。

②巖性較好的情況下，獨立錨桿支護形式控制圍巖變形效果較好，圍巖粘結力達到1.5MPa時圍巖穩定效果最好。

③當巖性較差的情況下，添加錨桿支護表面變形改善不大時，可先改善圍巖巖性，再添加錨桿支護，控制圍巖變形效果更為顯著。