李啟龍

(中北煤化工有限公司色連二礦)

FLAC3D數(shù)值分析方法在錨固方案優(yōu)選中的應用

李啟龍

(中北煤化工有限公司色連二礦)

采用數(shù)值分析軟件計算地下工程結構的應力應變情況，分析結構穩(wěn)定性的方法已得到廣泛應用。采用FLAC3D數(shù)值分析軟件對色連二礦12205順槽各錨固方案進行數(shù)值分析，得到各錨固方案巷道位移變形參數(shù)，可以直觀、快速、高效、經(jīng)濟地選擇最優(yōu)方案，確保達到最佳錨固效果。

FLAC3D數(shù)值分析 錨固 優(yōu)選

礦井煤層巷道掘進過程中，支護設計是關系到煤巷安全高效生產的重要保證。目前煤巷錨桿支護設計方法基本上可歸結為3類[1]：第一類是工程類比法，包括應用簡單的公式進行計算，常用的有以回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類為基礎的設計法及以圍巖松動圈分類的設計法；第二類是理論計算法，有懸吊理論、冒落拱理論、組合拱理論等；第三類是借助數(shù)值模擬進行錨桿支護設計，隨著計算機的廣泛應用，利用數(shù)值模擬計算地下巖石工程結構的應力、應變，分析結構穩(wěn)定性的方法已得到廣泛應用。為了確定色連二礦12205回風順槽最優(yōu)錨固方案，采用FLAC3D有限差分軟件對12205順槽各錨固方案進行數(shù)值分析[2]。

1 地質概況

色連二礦位于內蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)境內，12205工作面位于礦井一水平二盤區(qū)，工作面2-2中煤層厚度變化較大，東部煤厚一般在1.7～2.1 m；中部煤層變薄，最薄處為0.9 m；西部靠近切眼處煤層較厚，最厚處為4.65 m。2-2中煤層為黑色，以暗煤、絲炭為主，外生裂隙發(fā)育，塊狀結構，局部含一層0.2 m泥巖夾矸；直接頂為細砂巖，平均厚1.5 m，老頂為粉砂巖，平均厚6.8 m；直接底為細砂巖，平均厚14 m；老底為中砂巖，平均厚8 m。2-2中煤層為近水平煤層，地質條件較為簡單。

2 錨固技術難點

(1)雖然2-2煤層硬度大，但煤層內生裂隙，特別是縱向裂隙發(fā)育，煤層常呈塊狀片幫，從而造成巷道成型差。

(2)2-2中煤層頂板細砂巖的抗壓強度一般為7.2 MPa，抗拉強度為0.21 MPa，巖石強度低、砂化嚴重，不僅易離層、風化破碎，而且也加劇了頂板巖層的不穩(wěn)定性。

(3)當頂板有裂隙、構造或錨索孔通達砂巖層時，頂板淋水，不僅影響錨索的內錨效果，而且還會造成頂板砂質泥巖、泥巖膨脹和強度弱化，同時頂板淋水還會使錨桿和錨索發(fā)生銹蝕，降低錨桿和錨索的承載力。

(4)巷道斷面大，服務時間長，因此，對巷道圍巖的長期穩(wěn)定性要求較高。

3 錨固對策

(1)優(yōu)化順槽巷道斷面形狀，將順槽巷道斷面由矩形調整為平頂微拱形。矩形巷道的拐角處是應力集中點，將巷道斷面調整為平頂微拱形，不僅可改善巷道圍巖的受力狀況，而且還可避免肩窩錨桿出現(xiàn)剪切現(xiàn)象。

(2)頂、幫錨桿采用組合整體支護結構。將頂、幫錨桿通過W鋼帶和梯子梁搭接布置形成一整體結構，不僅可提高頂板肩窩抹角處圍巖的穩(wěn)定性，而且還有利于控制巷道斷面。

(3)提高錨桿的初始預緊力，防止頂板低位巖層出現(xiàn)早期離層。因為頂板離層都是由淺部向深部發(fā)展的，提高錨桿的初始預緊力，不僅可以消除巖層內原始的裂縫空隙，使各個巖層鎖緊為一個整體，而且高預緊力通過鋼帶、托板擴散，可有效提高錨固體的整體剛度，從而有利于防止頂板低位巖層出現(xiàn)早期離層，避免高位巖層出現(xiàn)離層。

(4)提高巷道的初始支護強度，實現(xiàn)一次支護有效化。巷道圍巖揭露后就進行錨索網(wǎng)支護效果最佳，若在已發(fā)生離層破壞的圍巖中補打錨桿和錨索，其支護效果將會大幅度降低。

(5)采取頂板沿煤幫整體跨落防治措施。改進頂板錨索的布置方式，使頂板支護結構體形成類似于桁架的斜拉結構，可避免頂板沿煤幫整體跨落。

(6)采用錨索錨固力增強技術。一般來說，若鉆孔直徑、錨索直徑及藥卷直徑符合“三徑”匹配要求，其錨固力是能夠滿足要求的，如果錨索直徑與鉆孔直徑差值大于10 mm，則攪拌時有可能造成錨固劑密實度不夠，從而影響藥卷對錨索的握裹力及藥卷與孔壁的粘結力。為了提高φ17.8 mm錨索的錨固力，可在錨索錨固端設置一個橡膠擋環(huán)。橡膠擋環(huán)規(guī)格：內徑為17.4 mm，外徑為25 mm，長50～60 mm，擋環(huán)安設在距錨索內錨端頭1 400 mm。

4 12205順槽錨固方案數(shù)值分析

4.1 數(shù)值模型的建立

選取12205回風順槽揭露的砂質泥巖、細砂巖、粉砂巖以及煤層作為建模對象。其中12205回風順槽為實體煤巷道，12205主運順槽與輔運順槽(12206回風順槽)之間煤柱寬度為20 m，三維數(shù)值計算模型尺寸為405 m×100 m×100 m(長×寬×高)，共劃分21 600個單元，25 389個結點。在建立過程中，對巷道周邊區(qū)域網(wǎng)格進行加密劃分，為了保證數(shù)值計算的準確程度，盡量減小整個模型網(wǎng)格尺寸差異，差異越大，編碼就越無效[3]。數(shù)值模擬計算采用Mohr-Coulomb plasticity model本構模型，大應變變形模式，模型側面限制水平移動，底面限制垂直移動，按上覆巖層厚度施加均布荷載，垂直應力為8 MPa，材料破壞遵循Mohr-Coulomb強度準則[4]。圖1為12205各順槽位置關系示意，圖2為三維數(shù)值計算模型。

圖1 12205各順槽位置關系示意

圖2 三維數(shù)值計算模型

4.2 錨固模擬方案

巷道斷面為5 m×2.8 m，模擬不同支護參數(shù)下12205回風順槽掘進過程中巷道圍巖應力和位移，模擬方案如下[5]：

工況一:矩形巷道，掘進期間頂板布置6根錨桿，規(guī)格為φ20 mm×2 500 mm，間距為900 mm,頂板兩側錨桿帶10°施工，巷幫布置4根錨桿，規(guī)格為φ18 mm×2 000 mm,間距為750 mm。巷道頂板和幫部鋼帶排距為900 mm。頂板錨索采用“3-0-0-3”布置，規(guī)格為φ17.8 mm×7 300 mm，錨索間排距為1 300 mm×1 800 mm。

工況二：矩形巷道，巷道頂板和幫部鋼帶排距為1 000 mm，頂板錨索采用“3-0-0-3”布置，錨索間排距為1 300 mm×2 000 mm，其他支護參數(shù)同工況一。

工況三：矩形巷道，巷道頂板和幫部鋼帶排距為1 000 mm，頂板錨索采用“4-0-0-4”布置，兩端錨索按80°扎角施工，錨索間排距為1 300 mm×2 000 mm，其他支護參數(shù)同工況一。

工況四：矩形巷道，巷道頂板和幫部鋼帶排距為900 mm，頂板錨索采用“4-0-0-4”布置，兩端錨索按80°扎角施工，錨索間排距為1300 mm×2 700 mm，其他支護參數(shù)同工況一。

工況五：平頂微拱形巷道，掘進期間頂板布置6根錨桿，錨桿排距為1 000 mm；頂板兩側肩窩錨桿不僅垂直園弧，而且同時穿過頂板鋼帶和巷幫梯子梁，頂板錨索采用“3-0-0-3”布置，錨索間排距為1 300 mm×2 000 mm，其他支護參數(shù)同工況一。

4.3 數(shù)值模擬計算結果分析

4.3.1 應力分析

圖3為5種工況下巷道圍巖的應力云圖?？梢钥闯觯合锏篱_挖導致巷道淺部圍巖卸壓，使巷道淺部圍巖中存在一個應力降低區(qū)，由于巷道底板沒有采取加固措施，因此底板中應力降低區(qū)范圍較頂板和兩幫范圍大。同時巷道的開挖改變了原巖應力分布，在巷道周邊形成應力集中區(qū)[6]。由于支護參數(shù)的不同，各工況應力峰值也有所不同，工況一中垂直應力峰值為11.5 MPa，水平應力峰值為9.73 MPa，垂直應力峰值出現(xiàn)在距巷道邊緣3.3 m位置處；工況二中垂直應力峰值為12.33 MPa，水平應力峰值為10.06 MPa，垂直應力峰值出現(xiàn)在距巷道邊緣3.5 m 位置處；工況三中垂直應力峰值為10.99 MPa，水平應力峰值為9.82 MPa，垂直應力峰值出現(xiàn)在距巷道邊緣3.1 m位置處；工況四中垂直應力峰值為13.04 MPa，水平應力峰值為10.21 MPa，垂直應力峰值出現(xiàn)在距巷道邊緣3.9 m位置處；工況五中垂直應力峰值為10.95 MPa，水平應力峰值為10.15 MPa，垂直應力峰值出現(xiàn)在距巷道邊緣3.9 m位置處。工況四中巷道圍巖應力集中程度最高，圍巖塑性區(qū)域分布最廣；工況五中巷道斷面為微拱形，有效改善了圍巖的應力環(huán)境，圍巖集中程度相對較低，工況五中的巷道支護方案能夠更好地改善圍巖應力環(huán)境。

圖3 不同工況下巷道圍巖應力變化情況

4.3.2 位移分析

圖4為5種工況下巷道圍巖位移云圖。可以看出：工況一中巷道頂板最大下沉值為48 mm，底板最大底鼓量為153 mm，左幫最大位移值為118 mm，右?guī)妥畲笪灰茷?19 mm；工況二中巷道頂板最大下沉值為62 mm，底板最大底鼓量為225 mm，左幫最大位移值為150 mm，右?guī)妥畲笪灰茷?51 mm；工況三中巷道頂板最大下沉值為42 mm，底板最大底鼓量為137 mm，左幫最大位移值為110 mm，右?guī)妥畲笪灰茷?12 mm；工況四中巷道頂板最大下沉值為71 mm，底板最大底鼓量為323 mm，左幫最大位移值為209 mm，右?guī)妥畲笪灰茷?10 mm；工況五中巷道頂板最大下沉值為40 mm，底板最大底鼓量為126 mm，左幫最大位移值為98 mm，右?guī)妥畲笪灰茷?07 mm。根據(jù)各錨固方案數(shù)值分析結果，可知工況五位移變形最小，支護效果最佳，工況三次之。

5 結 語

現(xiàn)今FLAC3D數(shù)值模擬軟件在分析結構穩(wěn)定性、位移、應力應變方面已得到廣泛應用，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件在色連二礦12205順槽各錨固方案的應用，可以直觀得到在各錨固方案下巷道位移變形參數(shù)，與傳統(tǒng)的選擇錨固方案相比，可以快速、經(jīng)濟地選擇最優(yōu)錨固方案，確保達到最佳錨固效果，提高決策水平。

[1] 劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 漆泰岳.錨桿與圍巖相互作用的數(shù)值模擬[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2002.

[3] 閆莫明.巖土錨固技術手冊[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 樊俊豪，劉 闖，崔玉賢，等.深部巷道圍巖錨網(wǎng)耦合支護技術[J].煤礦安全，2013(2)：83-85.

[5] 孫曉明,何滿潮.深部開采軟巖巷道耦合支護數(shù)值模擬研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2005(2)：166-169.

[6] 高富強.基于FLAC的煤巷錨桿支護設計系統(tǒng)開發(fā)與應用[J].煤炭工程，2007(8)：104-106.

圖4 不同工況下巷道圍巖位移變化情況

2014-04-04)

李啟龍(1982—)，男，工程師，017008 內蒙古鄂爾多斯市。