淮北袁店二礦101運輸巷圍巖表面變形數值分析

金燕燕 （安徽城市管理職業學院，安徽 合肥 230601）

1 工程概況

淮北袁店二礦位于安徽省濉溪縣與渦陽縣的交界處，行政區劃屬于渦陽縣和濉溪縣。101 運輸巷道位于煤礦的中部，埋深H=-550m、設計原巖應力P0=12MPa、采動影響因子2.5，巷道圍巖物理力學參數見表1，控制允許變形值100mm。開挖巷道斷面直墻半圓拱形式，矩形尺寸6000mm×1200mm，拱半徑3000mm。采用錨桿（索）支護方案，支護材料性能參數見表2。

表1 巷道圍巖物理力學參數

表2 支護材料性能參數

2 數值模擬分析概述

2.1 建立模型

一般在ANSYS 數值模擬軟件中有實體模型和有限元模型兩種，其中由點、線、面和體組合而成的稱為實體模型，有限元模型僅包含節點和單元。本項目是先建立實體模型，再利用軟件中的網格劃分菜單將其劃分為有限元模型。

2.2 網格劃分

ANSYS 屬于有限元分析軟件，有限元分析的基礎是單元。因此，將上述實體模型利用網格劃分工具劃分為節點及單元是必不可少的步驟。淮北袁店二礦101 運輸模擬巷道模型對圍巖外邊界劃分單位邊長為0.5mm，巷道邊界劃分單位邊長為0.1mm，總共劃分7536 個單元。

2.3.加載與求解

在ANSYS 有限元分析軟件中所謂的荷載不單單是狹義的力，還有廣義的力作為約束邊界條件。淮北袁店二礦101 運輸模擬巷道模型定義水平兩方向與豎直向上的方向位移為零即為固定約束，豎直向下作用一個均布荷載即原巖應力。ANSYS 軟件程序中求解聯立方程的方法包括稀疏矩陣直接解法、直接解法、雅克比共軛等值法（JCG）、預條件共軛梯度法（PCG）、不完全喬類斯基共軛等值法（ICCG）、自動迭代法（ITER）。本文中的模型采用自動迭代法進行求解。

3 不同錨桿（索）支護參數數值分析

深部巷道圍巖有松動圈及塑性圈，在此理論基礎上控制深部軟巖變形應采用錨噴支護形式，錨噴支護形式可以使添加的錨桿與圍巖成為整體共同作用，且打入的錨桿長度要大于松動圈半徑，要使圍巖變形更小可以使錨桿大于塑性圈半徑。一般巷道埋深越大，巖性越差，從而松動圈與塑性圈半徑越大。如錨深不足，可以采用噴錨網噴復合支護形式，并與外部支護形成聯合支護，使圍巖維持穩定狀態。

余偉健等[1]提出由主壓縮拱和次壓縮拱共同構成的疊加拱承載體力學模型，該力學模型主要是錨桿（索）配合主次壓縮拱形成一種新的力傳遞系統，可將其稱之為疊加拱結構。

3.1 數值分析錨桿支護參數變化

淮北袁店二礦101 運輸巷道設計的允許變形值較小，考慮采動影響[2-5]，應適當采用錨桿支護措施。根據工程概況描述可知該巷道圍巖為泥巖，原巖應力12MPa，巷道斷面尺寸應用面積等效原理為R=3.014m。前文分析結果顯示巷道圍巖表面變形影響因素大小順序依次為巖性→原巖應力→斷面尺寸，且對比各影響因素極差大小，巖性遠大于原巖應力及斷面尺寸。因此首先選取巖性為泥巖的組合，綜合大小及影響程度分析，淮北袁店二礦101 運輸巷道開采條件最接近第12 組試驗，初步設計巷道圍巖變形較大應采取錨桿支護，且巷道頂部需配合錨索支護，主要起到懸吊作用。

①未支護（m=0）

巷道圍巖在未添加任何支護時通過數值模擬分析，結合各項數據顯示，巷道圍巖在無任何支護措施的情況下圍巖變形兩幫靠近底部最大，變形值為0.4172m，遠超圍巖允許變形值。通過巷道圍巖塑性圈半徑分布圖可以看出變形較大部位在巷道的兩幫靠近底部及頂部，可以初步根據塑性圈半徑設計錨桿長度。

②L=2800mm（m=5）

本組設計參數錨桿長度2400mm，間排距2800mm×2800mm。通過數值模擬分析，結合各項數據顯示，巷道圍巖變形豎直方向即頂部變形比較小，兩幫變形量最大，為0.1947m，大于該巷道圍巖允許變形。巷道底部塑性圈半徑對比未支護條件下的塑性圈半徑反而增大，說明錨桿添加的位置對圍巖的變形控制有一定的影響。錨桿支護參數不能滿足圍巖的穩定性要求，應增加錨桿密度，且錨桿應盡快添加在圍巖兩幫靠近底部的位置。

③L=1400mm（m=9）

本組設計參數錨桿長度2400mm，間排距1400mm×1400mm。通過數值模擬分析，結合各項數據顯示，巷道圍巖變形豎直方向即頂部變形比較小，兩幫變形量最大為0.1412m，略大于該巷道圍巖允許變形。所以，運輸巷道在該密度下的錨桿支護仍不能滿足圍巖的穩定性要求，應在此基礎上增加錨桿密度。

④L=700mm(m=17)

本組設計參數錨桿長度2400mm，間排距700mm×700mm。通過數值模擬分析，結合各項數據顯示，巷道圍巖在錨桿密度增加后表面最大變形減少到0.0878m，在允許變形值以內，說明巷道在該間排距條件下滿足要求。

3.2 最優支護參數設計

根據上節四組模擬分析結果，采用線性擬合分析方法確定淮北袁店二礦101 運輸巷道在不同間排距的條件下圍巖變形大小規律，最后根據具體公式得出圍巖變形大小控制在100mm 時所需的間排距，即為最優設計參數。

數據分析。圍巖表面最大變形U 隨間排距L的變化見表3，數據較好擬合公式見式（1）。

表3 圍巖表面變形U隨錨桿數量m變化

擬合曲線見圖1，且參數值分別為u0=0.0815、A=0.3350、t=4.8152。由曲線圖可以看出，巷道圍巖表面變形隨著錨桿數量的增加而減小，且減小的速率越來越小，即錨桿初步增加到5 根時圍巖表面變形減小較為顯著，當錨桿增加到9 根后再繼續添加錨桿數量，巷道圍巖表面變形減小并不明顯，可以推斷錨桿增加到一定數量后再添加不會對圍巖變形產生有利影響。因此可以根據曲線函數在定義允許變形量后得出最優支護參數，淮北袁店二礦101 運輸巷道在允許變形為100mm時的錨桿參數：

圖1 圍巖變形隨錨桿數量變化規律

式（2）解得結果m=13.9，取［m］=14根。

3.3 最優支護參數模擬分析

由上節分析計算得出淮北袁店二礦101 運輸巷道在實際開采條件下控制巷道圍巖穩定性的錨桿最優參數為14 根，巷道圍巖幫部變形最大，錨桿添加時盡量兩幫密集。結合工程實際經驗，巷道在開采時會受采動影響，頂部圍巖有下沉現象，可以適當添加一定數量錨索支護，起到“懸吊”作用的效果。本次巷道頂部設計3 根錨索，采用數值分析軟件進行最終圍巖變形驗證，巷道斷面最優支護參數示意及模擬模型如圖2 所示。軟件模擬巷道圍巖表面變形數據顯示，X方向變形圖可以看出巷道在該設計最優參數條件下的最大變形為0.0966m，而圍巖的允許變形為0.1000m。可見在允許值范圍內，有巷道塑性圈可以直接看出圍巖表面的塑性圈半徑較小，只有巷道兩幫底部稍大，在實際工程中應采取一些積極措施加大對局部的支護。

圖2 巷道斷面支護示意圖

錨桿支護實質上是通過將錨桿按一定的方法打入巖層中，使結構物與巖體形成完整的支護結構，以達到抵抗圍巖表面變形的目的。錨桿支護理論上相對于傳統的支護形式屬于主動支護，在實際應用中具有施工方便、施工效率高、成本較低及支護效果好等優點。在操作過程中，錨桿需預先張緊裝入相應的鉆孔中，以提高抵抗被加固巖體撓曲性和分層之間相對位移的能力。錨桿能夠緊固在巖層中主要是靠其與巖層之間的摩擦力，因此，在事先加大錨桿預緊力后，可以加大錨桿與巖石之間的摩擦力，從而使錨桿與巖體更加緊固。

4 小結

淮北袁店二礦101 運輸巷道圍巖巖性較好，主要表現為泥巖性質，巷道在未采取任何支護措施時變形比較大，遠遠超出允許值。

巷道圍巖表面變形量隨支護反力的增大而減小，且滿足一定的函數關系，淮北袁店二礦101 運輸巷道根據數值分析模擬，計算出圍巖變形控制在100mm時所需的斷面單排錨桿數量為14根。

針對淮北袁店二礦101 運輸巷道，為克服“冒頂”現象，在巷道頂部布置3根錨索起到懸吊作用。

采用最優方案進行模擬分析最大變形值為96.6mm 接近100.0mm，表明數值分析方法對設計工程實際巷道圍巖錨桿支護最優方案具有一定的參考價值。