高 林 ，劉 勇，崔道品，李 可，蘆慶和

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083;2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽550025;3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽550025;4.貴州省復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽550025;5.貴州理工學(xué)院 采礦工程學(xué)院，貴州 貴陽550003)

楓香礦區(qū)位于貴州省遵義縣西北部楓香鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，探明儲量達(dá)1.2 億噸，目前主要以年產(chǎn)30 萬噸/a 及以下小型煤礦為主。在國家相關(guān)政策的要求下［1］，目前貴州省正在大力推進(jìn)小型煤礦機(jī)械化開采的進(jìn)程。小型煤礦采用機(jī)械化開采以后，回采巷道斷面不可避免地相應(yīng)增大。為此，貴州省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局、貴州省煤礦安全監(jiān)察局在下發(fā)的《關(guān)于煤礦采煤工作面運(yùn)輸巷回風(fēng)巷設(shè)計審查施工規(guī)定的通知》(黔安監(jiān)辦〔2011〕205 號)一文中明確指出［2］，采用普通機(jī)械化開采的礦井回采巷道凈斷面不得小于8 m2。以往礦區(qū)內(nèi)煤礦主要采用工字鋼等被動支護(hù)形式，鑒于煤巷錨桿支護(hù)的優(yōu)越性，針對該礦區(qū)回采巷道錨桿支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了具體研究。

在研究先期階段，通過現(xiàn)場回采期間巷道表面位移的觀測，總結(jié)分析出了采動影響下回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;通過實(shí)驗(yàn)室測定，得到了回采巷道圍巖力學(xué)參數(shù);通過巖層鉆孔探測儀的現(xiàn)場實(shí)測，得到了圍巖破壞松動圈范圍。在以上研究的基礎(chǔ)上，采用模糊聚類和圍巖松動圈分類法確定了該礦區(qū)范圍內(nèi)煤礦回采巷道圍巖穩(wěn)定性類別屬于Ⅲ(一般圍巖)～Ⅳ(一般不穩(wěn)定圍巖)類。

選擇紙房煤礦1701 運(yùn)輸巷作為工程實(shí)踐對象，基于松動圈支護(hù)理論［3］，進(jìn)行了錨桿支護(hù)初始設(shè)計參數(shù)確定，為確保下一步工程實(shí)踐效果的可靠性，在工程實(shí)踐之前試圖通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行支護(hù)設(shè)計可靠性初步模擬分析。

1 回采巷道錨桿支護(hù)設(shè)計

1.1 設(shè)計方法的確定

巷道錨桿支護(hù)中支護(hù)設(shè)計是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對最大限度發(fā)揮錨桿支護(hù)的優(yōu)越性，保證巷道支護(hù)安全具有十分重要的意義。如果支護(hù)形式和參數(shù)設(shè)計不合理，就會造成兩個極端:要么是支護(hù)強(qiáng)度太高，不僅浪費(fèi)支護(hù)材料，而且影響掘進(jìn)速度;要么是支護(hù)強(qiáng)度不夠，不能有效控制圍巖變形，出現(xiàn)冒頂事故。因此，合理地確定支護(hù)形式和參數(shù)是設(shè)計的最終目標(biāo)［4］。

目前，根據(jù)國內(nèi)外錨桿支護(hù)技術(shù)研究成果，錨桿支護(hù)設(shè)計方法主要分為三大類:工程類比法、理論計算法和數(shù)值模擬法［5］。我們通過分析并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件，綜合提出了“初始設(shè)計(理論計算法)→數(shù)值模擬→現(xiàn)場監(jiān)測→最終確定支護(hù)形式及參數(shù)”回采巷道錨桿支護(hù)設(shè)計思路，具體流程如圖1。

1.2 支護(hù)初始設(shè)計

圖1 設(shè)計思路示意圖

根據(jù)確定的設(shè)計方法及已有的研究成果，紙房煤礦1701 運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)初始設(shè)計如圖2 所示。

錨桿支護(hù)形式及相關(guān)參數(shù):采用錨網(wǎng)支護(hù)形式，回采巷道頂板、兩幫分別選用Ф22 ×2200、Ф20×2000 螺紋錨桿，設(shè)計錨桿間排距800 ×800 mm，選用Z2335 樹脂錨固劑，全長錨固，并鋪設(shè)40 mm×40 mm 菱形金屬網(wǎng)。

圖2 1701 運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)設(shè)計(圖中單位:mm)

2 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證錨桿支護(hù)初始設(shè)計的合理性，研究中采用大型非線性有限差分軟件(FLAC3D)數(shù)值模擬程序?qū)埛棵旱V1701 運(yùn)輸巷巷道圍巖受力、變形、破壞特征進(jìn)行模擬分析。

2.1 FLAC3D應(yīng)用程序簡介［6-8］

FLAC 程序(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美國明尼蘇達(dá)大學(xué)和美國Itasca Consulting Group Inc.于20 世紀(jì)80 年代推出的專門模擬地質(zhì)材料和巖土工程非線性力學(xué)行為的大型標(biāo)準(zhǔn)化程序，是目前國際巖土工程界和采礦工程界公認(rèn)并得到廣泛推廣應(yīng)用的數(shù)值方法。

FLAC3D采用拉格朗日差分算法不僅可以模擬材料的屈服、塑性流動、非線性大變形等力學(xué)行為，而且可以進(jìn)行滲流分析、熱力學(xué)分析、地震動力分析以及巖土體的蠕變行為分析等計算。另外，該程序還可以完成流—固耦合、力—熱—水耦合及滲流—地震耦合分析等多種功能。

FALC3D為巖土工程問題的求解開發(fā)了10 種材料模型，能夠模擬與巖土體相互作用的結(jié)構(gòu)單元，如隧道襯砌、錨桿/錨索、樁/梁以及土工織物等的受力與變形等。FALC3D具有良好的前、后處理功能，程序內(nèi)嵌的FISH 語言能夠讓用戶定義新的變量和函數(shù)，以用于滿足不同的巖土工程問題。因此選用該軟件來模擬煤礦巷道支護(hù)與工作面回采過程是非常合適的。

FLAC3D軟件數(shù)值模擬計算分析的一般步驟如圖3。

圖3 數(shù)值模擬計算分析過程圖

目前，F(xiàn)LAC3D軟件已在礦山設(shè)計方面得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在巷道錨桿支護(hù)方面，通過FLAC3D對初始設(shè)計方案進(jìn)行模擬預(yù)測與分析已經(jīng)越來越成為一種趨勢。

2.2 錨桿支護(hù)圍巖變形數(shù)值模擬分析

1)模擬巷道說明

根據(jù)所研究及解決的問題，模擬對象為紙房煤礦1701 運(yùn)輸巷。對所設(shè)計的錨桿支護(hù)形式進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)圍巖應(yīng)力和圍巖變形量大小驗(yàn)證1701 運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)初始設(shè)計是否合理。1701 運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)形式及相關(guān)參數(shù)見圖2，巷道斷面的形狀為斜頂梯形，斷面尺寸為3.60 m×2.671 m。

2)模擬巷道煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

研究過程中，除現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和收集的相關(guān)地質(zhì)資料外，同時在楓香礦區(qū)采集了研究礦井回采巷道煤層頂、底板巖樣和煤層煤樣，而后在實(shí)驗(yàn)室加工制取了標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行了巖石單向抗剪實(shí)驗(yàn)、巖石在單向壓縮狀態(tài)下的變形參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)、巖石單向抗拉強(qiáng)度測定等實(shí)驗(yàn)。記錄了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理，計算得出了各煤巖層一些物理力學(xué)參數(shù)，如內(nèi)摩擦角φ、凝聚力C、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，整理得出了實(shí)驗(yàn)報告。根據(jù)實(shí)驗(yàn)報告，C7 煤層及其頂?shù)装鍘r性及物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 C7 煤層頂?shù)装鍘r性及物理力學(xué)性質(zhì)

3)數(shù)值建模

在建模過程中嚴(yán)格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，XOY 平面取為水平面，Z 軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正，整個坐標(biāo)系符合右手螺旋法則。取紙房煤礦1701 運(yùn)輸巷左下角點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為X 軸正方向，沿巷道徑向?yàn)閅 軸正方向，垂直向上為Z 軸正方向，重力方向沿Z 軸負(fù)方向。三維模型的邊界條件取為:四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。數(shù)值計算中分別模擬巷道的應(yīng)力、位移分布。

圖4 ～5 為數(shù)值模型圖。

圖4 巷道整體模型效果圖

圖5 巷道與頂?shù)装迕簬r層分布圖

4)模擬結(jié)果及分析

FLAC3D模擬結(jié)果見圖6 ～9。

圖6 1701 運(yùn)輸巷巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖

圖7 1701 運(yùn)輸巷巷道圍巖水平應(yīng)力分布圖

圖8 1701 運(yùn)輸巷巷道圍巖垂直位移分布圖

圖9 1701 運(yùn)輸巷巷道圍巖水平位移分布圖

3 模擬結(jié)果分析

1)由圖6 ～7 可知，當(dāng)紙房煤礦1701 運(yùn)輸巷按照所設(shè)計的錨桿支護(hù)形式進(jìn)行支護(hù)時，巷道圍巖在垂直方向上所受最大應(yīng)力為11.616 MPa，最小水平應(yīng)力為6.5476 MPa。由垂直及水平應(yīng)力分布圖可知，改用錨桿支護(hù)斜頂梯形回采巷道后，巷道應(yīng)力集中區(qū)域范圍明顯減少，應(yīng)力值不大。

2)由圖8 ～9 可知，圍巖位移量在垂直方向上為36.449 mm，水平位移為38.779 mm。從垂直及水平位移分布圖來看，錨桿支護(hù)后，圍巖變形量較小，說明采用錨桿支護(hù)后，極大的抑制了圍巖的變形量，有效的控制了圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

文章采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對回采巷道錨桿支護(hù)初始設(shè)計進(jìn)行了模擬分析，從1701 運(yùn)輸巷掘進(jìn)后巷道圍巖應(yīng)力場、位移場來看，采用錨桿支護(hù)后，巷道圍巖變形量和受力情況都相對較好，表明所采用的錨桿支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)較合理。因此，在楓香礦區(qū)此類圍巖回采巷道中實(shí)施錨桿支護(hù)是可行的，下一步可應(yīng)用于工程實(shí)踐。

錨桿支護(hù)設(shè)計中，首先采用理論計算法進(jìn)行錨桿支護(hù)初始設(shè)計，再通過數(shù)值模擬分析的方法確保初始設(shè)計的可靠性后進(jìn)行工程實(shí)踐，可大大提高錨桿支護(hù)設(shè)計精度和降低工程實(shí)踐的盲目性和不確定性。

［1］國家安全監(jiān)管總局，國家煤礦安監(jiān)局，國家發(fā)展改革委，國家能源局.關(guān)于推進(jìn)小型煤礦機(jī)械化的指導(dǎo)意見［EB/OL］. http://www. chinasafety. gov. cn/newpage/Contents/Channel _6491/2010/1025/132005/content_132005.htm，2010 -10 -15.

［2］貴州省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，貴州省煤礦安全監(jiān)察局. 關(guān)于煤礦采煤工作面運(yùn)輸巷回風(fēng)巷設(shè)計審查施工規(guī)定的通知［EB/OL］. http://www. gzaj. gov. cn/ywzx/mkaqsc/gwgg/57965. shtml，2011 -10 -21.

［3］董方庭.巷道圍巖松動圈支護(hù)理論及應(yīng)用技術(shù)［M］. 北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

［4］何滿潮，袁和生，靖洪文.中國煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［5］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.11.

［6］康紅普.回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC 分析［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18(5):534 -537.

［7］劉波，韓彥輝.FLAC 原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［8］伍永平，楊永剛，來興平，等. 巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬分析與確定［J］. 采礦與安全工程學(xué)報，2006，23(4):398 -401.