1141（ 3）轨道顺槽支护参数优化数值分析

1141（ 3）轨道顺槽支护参数优化数值分析

方鹏

淮河能源控股集团煤业公司朱集东矿 安徽淮南 232001

摘要：以朱集东煤矿1141（3）轨道顺槽为研究对象，根据巷道地质条件及围岩赋存特征，采用三维数值仿真方法，研究围岩稳定性及不同支护方案条件下的支护效果。以数值分析结果为依据，通过支护方案对比分析，提出巷道支护优化建议。

关键词：顺槽；支护参数；优化数值；分析

1 前言

随着我国浅部煤炭资源日益减少，淮河能源控股集团煤业分公司所属煤矿逐步转入深部开采。与浅部开采相比，深部岩体的赋存环境更加复杂，受长期区域构造运动的剪切挤压作用，围岩支护更加困难。我矿深部泥岩、砂质泥岩等软岩分布广泛，岩质软弱、节理裂隙发育，围岩高应力与低强度之间的矛盾日益突出。巷道围岩片帮、冒顶及底鼓等大变形灾害时有发生，给我矿深部煤炭资源的安全高效开采带来了严峻的挑战。

目前，井下巷道普遍采用U型棚、锚网索喷、锚梁网等支护形式，在高地应力软弱围岩环境下存在支护强度不足或支护时机不当等情况，易造成支护结构失效、围岩失稳破坏，其中顶底板控制不及时、强度不足问题尤为突出。与此同时，在巷道穿越巨厚砂岩等良好地质条件时，普遍存在支护强度过剩的现象，导致材料浪费进度滞后。因而，科学合理的巷道支护方案设计对于煤矿安全高效生产至关重要。目前的工程技术人员在制定支护设计时，大多使用工程类比法或理论计算法，易造成支护方案优化调整严重滞后，不易分析支护方案的合理性。

FLAC3D是由Itasca公司研发推出的连续介质力学分析软件，广泛应用于岩土工程领域。根据现场实际地质情况，通过软件前处理建立巷道三维数值计算模型，然后分析不同支护方案的围岩稳定控制效果，能直观对比分析支护方案的优缺点，并可通过现场支护试验进行验证。随着我国计算机技术及硬件的快速发展，数值模拟仿真已成为一种重要的工程分析方法。所以，矿山工程技术人员通过学习数值分析软件，预先进行巷道支护优化设计和支护效果分析，可以提高支护方案的合理性。

2 概况

1141（3）工作面轨道顺槽用途为：工作面运输及回风，煤巷段长1749m，断面为5.2m×3.6m矩形断面，跟13-1煤顶板综掘施工；1141（3）工作面埋深为-839.5m～-881.2m,方位角为33°。根据初始设计相关内容，经过工程类比和理论计算，确定采用以下锚网索支护技术方案。

3支护数值模拟

3.1分析步骤

生成三维网格模型 定义本构模型和材料性质 定义边界条件和初始条件 进行计算求解 更改条件、模型或参数进行对比分析 输出计算结果

3.2原始应力场

中国矿大选取我矿三个测点进行地应力测试，总体来看地应力呈现出以下特点：①朱集矿一水平测试区域以构造应力为主，最大应力为水平应力，平均值为24.8MPa；②铅直应力为中间应力，平均值为20.1MPa，略小于γH＝24.5MPa；③侧压系数在0.6~1.3之间，平均0.97，最大水平应力的方位角为NE20°，对南北向方向的巷道控制尤为不利，但-959m测试地点的最大水平应力方位角为92.3°，此区域的侧压系数为1.3，对东西向巷道控制不利；④以上各测试地点均为原岩侧，即不受巷道群叠加应力扰动，巷道群间岩柱的应力应更大。

1141（3）轨道顺槽方位与水平应力方位基本相同，根据地应力测试报告，选取平均值作为本次数值模拟的原始应力。

3.3数值计算

（1）方案1为初始支护设计，为锚网索支护，顶板锚杆长度2.8m，帮部锚杆长度2.5m，端锚支护，顶板间排距：750mm×800mm，帮部间排距：700mm×800mm，；锚索长度6.3m，间排距：1000mm×800mm。

（2）方案2在方案1的基础上，排距扩大至1000mm，锚杆（索）数量不变，其余支护方式不变。（3）、两种方案均从位移、主应力、锚杆（索）受力状态及塑性区四个方面分析对比。

3.4 数值模拟分析

3.4.1 支护结构对比

本次方案在计算过程中，锚杆（索）采用cable单元模拟，钢带等采用group分组加attach face形式模拟。在FLAC3D命令中采用FISH编程，实现钢带及锚杆（索）的循环安装，支护结构空间布置形式。

计算模型共计11500个结构单元（包括锚杆索及衬砌）及12025个结构单元节点，计算时步共计21366步达到收敛状态。

3.4.2 应力场分析

井下岩体一旦开挖，原岩应力将会发生扰动，导致应力重新分布，形成围岩应力场。这种围岩应力与原岩应力相比，会出现很大的应力集中区现象。次生应力场是否超出岩体的强度或支护强度，将影响围岩及巷道掘进的稳定性。

主要应力释放区位于顶板及帮部，帮部出现张拉应力区，也是本巷道易发生变形的区域，符合现有的围岩应力分布规律。两种方案相比应力分布状态基本一致，说明围岩应力状态基本一致。

两种支护方案中，巷道顶板煤线上下及帮部中部区域出现拉应力，最大值均为25Mpa，表明帮部可能会出现局部片帮现象发生，也说明帮部中间锚杆端头可能会受压破坏。其余围岩因支护原因均未出现拉应力，说明顶板及底板围岩的较为稳定。

3.4.3 锚杆（索）承载分析

现有的支护理论认为，锚杆在多重应力作用下，表现出拉扭弯剪复合应力状态。帮部围岩多处于剪切受力区域，在底鼓严重区域，岩体挤出易导致锚杆张拉应力失效，但帮部锚索应受到很强的剪切作用为主，帮部锚索出现受压状态并不代表完全失效。

本巷道帮顶锚杆（索）基本都处于受拉状态，说明锚杆（索）支护为有效状态。但两种支护方案中，由于帮部煤体可能有拉剪应力集中现象出现，个别锚杆端部呈现受压状态，属正常情况。两种方案中锚杆（索）拉应力的最大值均为0.2Mpa，说明两种方案锚杆（索）受力状态基本一致，且未达到破坏。

3.4.4 塑性区分析

两种支护方式下巷道围岩均出现塑性区分布，说明巷道顶、底板及帮部均受到过破坏。顶板塑性区出现在向上9.5m煤线附近，说明该部分过去受到拉应力及剪切应力共同作用，出现潜在破坏区，但锚杆（索）的端头均未生根在塑性区，能够有效的控制围岩变形。巷道两帮上部存在正在剪切破坏区，中部有受拉和受剪共同作用区域，下部过去有拉伸塑性区，表示帮部均可能存在潜在破坏，特别是上部锚杆正处于受剪状态。巷道底板处于拉、剪塑性区，说明过去拉、剪应力造成底鼓产生。同时，结合前面锚杆受力图，因为帮部受拉、剪应力同时作用，可能造成帮部个别锚杆端头呈现受压失效状态是合理的。

4 经济效益分析

1141（3）轨道顺槽支护材料成本与方案1相比，方案2能节约大量支护材料，除去人工成本以外，共计节约材料费91.4万，同时降低职工工作量，提高煤巷单进水平，具有很大的经济效益。

5 结论及建议

综上所述，方案1和方案2均能有效控制巷道的围岩稳定，可满足安全生产的需求。所以，建议在围岩条件符合本设计条件时选择方案2，若顶板为砂岩直覆段，也可将锚杆（索）排距进一步扩大至1100mm。

因地质条件的复杂多变性及施工质量不确定性等多种因素的影响，数值计算结果不可能与现场实际绝对一致，因而计算结果可能与现场会存在偏差。建议在采取支护参数优化过程中及时对围岩变形和稳定性进行跟踪监测，及时反馈支护效果，并根据实际情况进行调整。此外，巷道经常卧底会对帮部稳定性造成严重影响，每次卧底之后都会引起帮部急剧收敛变形。因此，巷道卧底时应密切监测帮顶位移变化情况，及锚杆索的承载有效性。

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