郭原偉，史 芳，劉占新

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

煤炭能源是傳統(tǒng)的也是最重要的能源形式，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)[1]。但煤炭資源大多是在地底下進(jìn)行開采，存在很大的難度，危險性非常高。尤其是隨著煤炭資源使用量的不斷增加，我國煤炭開采形勢逐漸向著縱深方向發(fā)展，危險系數(shù)越來越多[2]。煤礦開采時需要掘進(jìn)出很多巷道，巷道掘進(jìn)改變了附近圍巖的受力狀態(tài)，如果不對巷道進(jìn)行保護(hù)處理，特別容易發(fā)生變形甚至冒頂?shù)劝踩鹿?，威脅煤礦生產(chǎn)安全[3]。基于錨桿支護(hù)技術(shù)對煤礦巷道進(jìn)行處理，能顯著提升巷道圍巖的穩(wěn)定性，進(jìn)而規(guī)避上述問題的出現(xiàn)[4]。錨桿支護(hù)技術(shù)參數(shù)會對其支護(hù)效果產(chǎn)生決定性的影響，具體實(shí)踐過程中需要充分結(jié)合煤礦巷道實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計，只有這樣才能夠在保障錨桿支護(hù)效果的基礎(chǔ)上降低支護(hù)施工成本[5]。

本文主要基于FLAC3D軟件對煤礦巷道的支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計研究，對于保障煤礦巷道安全具有重要的實(shí)踐意義。

1 工程概況

1.1 煤層及頂?shù)装鍑鷰r基本情況

某煤層埋深為348～542 m，平均埋深為400 m，煤層厚度為4.34～6.52 m，平均厚度5.91 m，煤層傾角范圍為1°～6°，平均傾角大小為3°。在井下對煤層性能進(jìn)行鉆孔檢測時發(fā)現(xiàn)，其強(qiáng)度在10.05～21.20 MPa范圍內(nèi)變化，而將采集到的煤塊在地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單軸壓縮檢測時，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度達(dá)到了30.9 MPa。出現(xiàn)這種情況的原因可能是煤層內(nèi)部出現(xiàn)了裂隙發(fā)育，導(dǎo)致煤層局部區(qū)域強(qiáng)度顯著降低，承載能力不足。煤層的老頂和直接頂分別以中粒砂巖和粉砂巖為主，整體上呈現(xiàn)出淺灰色，平均厚度分別為10.35、4.43 m?；镜缀椭苯拥秩慷际欠凵皫r為主，整體上呈現(xiàn)出灰黑色，整體厚度發(fā)小為7.63 m，但頂部區(qū)域存在一層黑色泥巖，厚度為0.24 m左右。本文主要以該工作面的運(yùn)輸平巷為對象進(jìn)行研究，對其錨桿支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行研究與設(shè)計。

1.2 錨桿錨固力測量試驗(yàn)

為了選用最合適的錨桿材料，確保錨桿在服役過程中能夠保持有足夠的強(qiáng)度，避免發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，對錨桿的錨固力大小進(jìn)行試驗(yàn)測試[6]。按照正常的錨桿施工安裝流程分別在6個位置開展了試驗(yàn)工作，試驗(yàn)中使用的錨桿長2.4 m、直徑22 mm，鉆孔直徑為30 mm，錨固劑直徑23 mm、錨固長度1 208 mm。對6根錨桿的拉拔力進(jìn)行了實(shí)踐測試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 錨桿拉拔力試驗(yàn)測試結(jié)果Fig.1 Test results of bolt pull-out force test

2 基于FLAC3D的數(shù)值模型建立

2.1 FLAC3D簡介

FLAC3D軟件是基于有限差分方法設(shè)計的一款有限元程序軟件，該軟件可以有效的對巖土及其他材料的力學(xué)行為和塑性變形行為等進(jìn)行計算分析[7]。軟件自發(fā)布以來，經(jīng)過多年的發(fā)展與迭代，目前已經(jīng)形成了性能優(yōu)越、計算過程穩(wěn)定的版本。FLAC3D軟件以其顯著的優(yōu)勢在煤礦巷道圍巖支護(hù)技術(shù)方案的設(shè)計過程中應(yīng)用越來越廣泛，利用該軟件可以直接對巷道支護(hù)方案的效果進(jìn)行模擬分析，縮短了現(xiàn)場試驗(yàn)的時間，規(guī)避了實(shí)際操作過程中存在的風(fēng)險問題[8]。本文基于FLAC3D軟件對煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行研究與設(shè)計。

2.2 模型的建立

利用FLAC3D建立巷道圍巖的有限元模型，模型為60 m×10 m×50 m，整個模型從上至下可以劃分為3大部分：頂板、煤層和底板。其中，頂板部分由3部分構(gòu)成，依次為細(xì)砂巖、中粒砂巖和粉砂巖，底板部分同樣由3部分構(gòu)成，依次為粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖。在數(shù)值模型中準(zhǔn)確輸入以上圍巖基本物理屬性，是獲得準(zhǔn)確結(jié)果的基礎(chǔ)和前提，通過試驗(yàn)方法分別對不同的圍巖屬性以及煤層屬性進(jìn)行了測試，見表1。

表1 運(yùn)輸平巷煤層和圍巖基本物理屬性Tab.1 Basic physical properties of coal seam and surrounding rock

完成材料屬性設(shè)置工作后，即可對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用軟件自動劃分模式，獲得的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為15 480個和17 980個。模型中的煤層、頂板和底板圍巖全部使用摩爾—庫侖屈服準(zhǔn)則。邊界條件方面，將模型的底部位置設(shè)置成固支模式，上部位置設(shè)置為自由邊界，模型的其他部位全部設(shè)置成鉸支模式?；贔LAC3D的巷道圍巖數(shù)值模型如圖2所示。模型中，與巷道方向垂直且沿著水平方向?yàn)閄軸，沿巷道方向?yàn)閅軸，垂直于巷道方向向上為Z軸。

圖2 基于FLAC3D的巷道圍巖數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of roadway surrounding rock based on FLAC3D

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

主要基于以上建立的數(shù)值仿真模型分析錨桿排距大小對錨桿支護(hù)效果的影響規(guī)律。在巷道幫部位置分別設(shè)置3根錨桿，巷道頂板設(shè)置6根錨桿，所有錨桿的長度為2.4 m，錨桿間距設(shè)置為950 mm。頂部位置設(shè)置有2根錨索，間距設(shè)置為2 m，錨索的長度為7.4 m，采用“2—0—2”的布置方式。分別建立不同的模型，將錨桿的排距設(shè)置為1.0、1.1、1.2、1.3 m，其他條件完全相同，對應(yīng)的頂板錨索排距依次為2.0、2.2、2.4、2.8 m。

3.1 不同錨桿排距時的圍巖變形情況

(1)錨桿排距為1.0 m時圍巖變形情況。對巷道圍巖附近的受力狀態(tài)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在模型的X方向上，巷道圍巖附近區(qū)域的應(yīng)力最大值主要集中在頂板和底板區(qū)域，應(yīng)力最大值為18 MPa；在模型的Y方向上，應(yīng)力主要集中在頂板和底板的4個角落位置，應(yīng)力最大值達(dá)到了25 MPa；在模型的Z方向上，局部應(yīng)力主要集中在巷道的兩個幫部位置以及4個角落位置，應(yīng)力最大值將近34 MPa，如圖3所示。對圍巖塑性變形情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖整體沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形情況，只有幫部位置和底板區(qū)域附近出現(xiàn)了小范圍的塑性變形區(qū)。說明當(dāng)錨桿排距設(shè)置為1 m時巷道圍巖的穩(wěn)定性相對較好。對穩(wěn)定狀態(tài)下，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平窟M(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4所示，圖4中還顯示了錨桿排距為1.1、1.2、1.3 m時的情況。頂?shù)装搴蛢蓭偷囊平糠謩e為70 mm和50 mm左右。

圖3 錨桿排距為1.0 m時巷道圍巖的應(yīng)力情況Fig.3 Stress situation of surrounding rock of roadway when the bolt row spacing is 1.0 m

圖4 巷道圍巖變形量的比較Fig.4 Comparison of deformation amount of surrounding rock in roadway

(2)錨桿排距為1.1 m時圍巖變形情況。當(dāng)錨桿支護(hù)技術(shù)方案中的錨桿排距由1.0 m增加到1.1 m時，模型中沿著X方向、Y方向、Z方向的應(yīng)力分布情況與前者基本相同，圍巖的塑性變形區(qū)范圍較前者稍有擴(kuò)大，但是仍然保持在很小的水平。由圖4可知，穩(wěn)定狀態(tài)下巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e為72 mm和51 mm。可見，當(dāng)錨桿排距為1.1 m時，錨桿支護(hù)技術(shù)方案的效果與排距為1 m時相當(dāng)。

(3)錨桿排距為1.2 m時圍巖變形情況。當(dāng)模型中的錨桿排距設(shè)置為1.2 m時，模型中沿著X方向、Y方向、Z方向上的應(yīng)力分布規(guī)律與前兩者基本相同，但是應(yīng)力最大值出現(xiàn)了一定程度的增加。圍巖塑性變形方面，當(dāng)錨桿排距為1.2 m時，發(fā)生塑性變形的深度出現(xiàn)了很大程度的增加，范圍也有了很大的擴(kuò)大。穩(wěn)定狀態(tài)下，巷道圍巖頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e達(dá)到了80 mm和60 mm，與前兩者相比較有了大幅度的提升，會在一定程度上威脅巷道的安全。

(4)錨桿排距為1.3 m時圍巖變形情況。當(dāng)模型中的錨桿排距設(shè)置為1.3 m時，模型中沿著X軸方向，頂板和底板部位的應(yīng)力相對比較集中，最大應(yīng)力值達(dá)到了18 MPa。沿著Y軸方向4個角落位置出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為23 MPa左右，沿著Z軸方向在4個角落和兩幫部位出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為22 MPa左右。雖然錨桿排距增加到1.3 m時，圍巖的應(yīng)力值分布情況沒有出現(xiàn)明顯的變化，但是發(fā)生塑性變形的區(qū)域和深度均出現(xiàn)了很大的增加，對于圍巖的穩(wěn)定性造成了不利影響。圍巖的穩(wěn)定性明顯降低，導(dǎo)致巷道圍巖頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平砍霈F(xiàn)了很大程度的提升，對應(yīng)的數(shù)值分別為90、70 mm。

(5)不同排距的比較分析?；谝陨戏治隹梢钥闯觯谙锏绹鷰r基本屬性保持不變的情況下，設(shè)置的錨桿排距不同時，對巷道的支護(hù)效果存在一定的差異。不同錨桿排距條件下巷道兩幫水平移近量和頂板下沉量的統(tǒng)計情況如圖5所示。由圖5可知，在錨桿排距由1.0 m增加到1.1 m時，巷道圍巖的變形量增長幅度非常小，幾乎可以忽略。而錨桿排距進(jìn)一步增加到1.2 m和1.3 m時，巷道圍巖變形量出現(xiàn)了大幅度增加?；诖?，在兼顧巷道安全及錨桿支護(hù)施工成本的基礎(chǔ)上，可將錨桿排距設(shè)置為1.1 m，對應(yīng)的錨索排距為2.2 m。

蒙古諺語《智慧集》中有關(guān)于長生天最高神主為霍爾穆斯塔的說法?！吨腔奂烦蓵谑兰o(jì)前，那么這種說法或許比成書時期更早。烏其拉圖在對蒙古史詩《江格爾》研究時指出，《江格爾》中有這樣的詩句：

圖5 錨桿排距對巷道圍巖變形的影響Fig.5 Influence of anchor rod row spacing on deformation of roadway surrounding rock

3.2 錨桿間距對圍巖變形的影響

在模型中，將錨桿排距設(shè)置為1.1 m，幫部位置錨桿間距設(shè)置為1.2 m，分別將頂板部位的錨桿間距設(shè)置為930、950、970、990 mm建立模型開展模擬分析工作。錨桿間距為990 mm時巷道圍巖的應(yīng)力情況如圖6所示，在X、Y、Z方向上的最大應(yīng)力分別為32、33、35 MPa，當(dāng)錨桿間距為930、950、970 mm時，應(yīng)力分布具有類似的分布規(guī)律。

圖6 錨桿間距為990 mm時巷道圍巖的應(yīng)力情況Fig.6 Stress of the surrounding rock of the roadway when the bolt spacing is 990 mm

對不同錨桿間距情況下的巷道圍巖變形量進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装逡平恳来螢?4、72、73、75 mm，兩幫移近量依次為53、51、54、55 mm。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頂板錨桿間距為950 mm時，巷道圍巖的變形量最小。因此，在實(shí)踐中應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況將頂板錨桿間距設(shè)置為950 mm。

3.3 錨桿長度對圍巖變形的影響

基于同樣的方法研究了錨桿長度分別為1.8、2.0、2.2、2.4 m時，巷道圍巖變形量的基本情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頂?shù)装逡平恳来螢?2、83、75、72 mm，兩幫移近量依次為75、63、55、51 mm?？梢钥闯觯S著錨桿長度的不斷增加，巷道圍巖的變形量逐漸減小?；诖耍狙芯恐袑㈠^桿的長度設(shè)置為2.4 m，以確保巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4 巷道錨桿支護(hù)技術(shù)方案設(shè)計

(1)巷道斷面設(shè)計。結(jié)合實(shí)際情況將工作面運(yùn)輸平巷的斷面設(shè)計成矩形，其寬度和高度分別為5.5 m和3.5 m，截面面積為19.25 m2。

(2)支護(hù)方案具體設(shè)計。結(jié)合工程實(shí)踐情況并借鑒以往的成功經(jīng)驗(yàn)，對工作面運(yùn)輸平巷采用錨桿錨索支護(hù)技術(shù)方案，采用樹脂藥卷進(jìn)行錨固[9]。頂板和兩幫部位的詳細(xì)支護(hù)技術(shù)方案如下：①頂板區(qū)域的支護(hù)技術(shù)參數(shù)。頂部錨桿使用的材料為BHRB500，錨桿長度2.4 m、直徑22 mm，錨桿間排距為0.95 m×1.10 m，每排設(shè)置有6根錨桿，每排使用1根W型鋼帶，以提升錨桿的整體性能。錨桿安裝時使用了2種類型的錨固劑，分別為MSK2335和MSG2360，長1 208 mm、直徑30 mm，能夠承受的扭矩可以達(dá)到400 N·m。另外，還需要配合使用高強(qiáng)度拱形托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，金屬網(wǎng)進(jìn)行搭接時，要求搭接寬度不得少于100 mm。所有錨桿方向全部與頂板保持垂直關(guān)系。巷道頂部位置每排設(shè)置有2根錨索，長7.4 m、直徑22 mm，錨索全部與頂板保持垂直。安裝時需要使用3支樹脂型藥卷，型號與錨桿中使用的相同，也需要使用高強(qiáng)度拱形托板，托板規(guī)格尺寸為300 mm×300 mm×16 mm。錨索采用的是“2—0—2”的布置方式。最后，整個頂部區(qū)域利用規(guī)格尺寸為5.5 m×1.2 m的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂處理。②巷道幫部區(qū)域的支護(hù)技術(shù)參數(shù)。幫部位置使用的錨桿材料同樣為BHRB500，錨桿的規(guī)格尺寸及配套使用的數(shù)值型錨固劑、高強(qiáng)度拱形托盤完全相同，所有錨桿全部與幫部平面保持垂直。錨桿的間距設(shè)置為1.2 m，排距與頂部位置相同，設(shè)置為1.1 m，幫部每側(cè)每排設(shè)置有3根錨桿。最后，整個幫部區(qū)域利用規(guī)格尺寸為3.5 m×1.2 m的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫處理，同樣的搭接寬度需控制在100 mm以上。巷道支護(hù)技術(shù)方案如圖7所示。

圖7 巷道支護(hù)技術(shù)方案示意Fig.7 Schematic diagram of roadway supporting technology scheme

5 實(shí)踐應(yīng)用

將以上設(shè)計的煤礦運(yùn)輸平巷支護(hù)技術(shù)方案應(yīng)用到工程實(shí)踐中，為了驗(yàn)證該方案的實(shí)踐應(yīng)用效果，對巷道圍巖的變形情況和錨桿的受力情況進(jìn)行了分析。

5.1 巷道圍巖變形量情況

本研究中基于“十字布點(diǎn)法”對巷道圍巖表面的變形量進(jìn)行統(tǒng)計分析[10]，該方法的測量原理如圖8所示。在巷道的頂板、底板和兩幫部位的中間區(qū)域分別鉆孔，將長度為400 mm、直徑為28 mm的木樁打入孔中，然后在木樁上做標(biāo)記。測量AB和CD之間的距離，即可獲得巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平?。?dāng)掘進(jìn)工作面與測量點(diǎn)之間的距離在50 m范圍以內(nèi)時，每天進(jìn)行一次測量，超過50 m以后每周進(jìn)行1～2次測量。

圖8 “十字布點(diǎn)法”巷道圍巖表面測量原理Fig.8 Measurement principle diagram of "Cross point method" roadway surrounding rock surface

巷道圍巖表面的變形量統(tǒng)計情況如圖9所示。從圖9中可以看出，當(dāng)掘進(jìn)工作面逐漸靠近監(jiān)測點(diǎn)時，該部位的巷道圍巖逐漸開始發(fā)生變形。當(dāng)掘進(jìn)工作面超過監(jiān)測點(diǎn)以后，巷道圍巖變形量快速增加。當(dāng)掘進(jìn)工作面與監(jiān)測點(diǎn)距離90 m左右時，巷道圍巖的變形量基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)下，兩幫的移近量和頂?shù)装宓囊平糠謩e為71 mm和92 mm左右，可以保障巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖9 巷道圍巖表面的變形量統(tǒng)計情況Fig.9 Statistics on surface deformation of surrounding rock of the roadway

5.2 錨桿受力情況

利用專業(yè)的錨桿測力計對穩(wěn)定狀態(tài)下錨桿的軸向力大小進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖10所示，圖10中所示的錨桿編號如圖7所示。

圖10 穩(wěn)定狀態(tài)下錨桿的軸向力統(tǒng)計情況Fig.10 Statistics of axial force of anchor rod in stable state

由圖10可知，除10號錨桿的軸向力相對較大以外，其余幫部位置的錨桿軸向力與頂部區(qū)域相比較要小一些。錨桿軸向力在90～125 kN內(nèi)。錨桿材質(zhì)為BHRB500，該型號材料的屈服強(qiáng)度為190 kN?？梢姡^桿實(shí)際的受力是其屈服強(qiáng)度的47.36%～65.78%，可以確保錨桿服役過程的安全性，為煤礦生產(chǎn)安全奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5.3 頂板離層量情況

利用LBY-3型頂板離層指示儀對巷道圍巖頂板的離層量進(jìn)行監(jiān)測。該設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)比較簡單、操作是比較便捷，可以直接對結(jié)果進(jìn)行讀取[10]。最大量程可以達(dá)到200 mm，讀數(shù)精度可以控制在1 mm。研究中共對20個位置進(jìn)行了頂板離層量進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)少數(shù)位置的頂板離層量基本為0，絕大部分位置的頂板離層量大約在8 mm。基于以上結(jié)果可知，以上設(shè)計的錨桿支護(hù)技術(shù)方案可以有效保障巷道圍巖的穩(wěn)定性，有效控制了頂板部位的變形情況。

6 結(jié)論

本文主要以某煤礦工作面的運(yùn)輸平巷為研究對象，應(yīng)用FLAC3D軟件對該巷道的錨桿支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計與研究，所得結(jié)論主要包含以下幾點(diǎn)。

(1)利用FLAC3D軟件分析了錨桿排距對支護(hù)效果的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)當(dāng)錨桿排距由1.0 m增加到1.1 m時，巷道圍巖的應(yīng)力、塑性變形區(qū)域、表面的位移變形量均未發(fā)生明顯的變化，而當(dāng)錨桿排距進(jìn)一步增加到1.2 m和1.3 m時，以上各項(xiàng)參數(shù)均出現(xiàn)了大幅度增加。因此，將錨桿排距設(shè)置為1.1 m。

(2)對錨桿間距和錨桿長度對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頂板錨桿間距為950 mm、錨桿長度為2.4 m時，巷道圍巖的變形量最小。

(3)基于模擬分析結(jié)果，對錨桿支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。頂板部位設(shè)置了6根錨桿和2根錨索，幫部位置分別設(shè)置了3根錨桿，所有錨桿和錨索均與對應(yīng)的平面保持垂直。

(4)將設(shè)計的錨桿支護(hù)技術(shù)方案應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，并對巷道表面實(shí)際位移變形量、頂板離層量和錨桿軸向力等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)踐測試，發(fā)現(xiàn)均保持在了安全范圍以內(nèi)，能有效保障巷道的安全。