不同巷道支护方式的数值模拟研究

2015-01-12杨正凯岳朝阳顾合龙齐开权

华北科技学院学报 2015年6期

杨正凯，岳朝阳，顾合龙，齐开权

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南平顶山 467000；3.河南理工大学能源学院，河南焦作 454010;4.盛平煤业有限公司，山西临汾 042103)

巷道支护方式的选择，与巷道支护成本、巷道稳定及矿井安全密切相关,基于不同支护理论建立的锚杆支护的计算和设计方法，存在很多的局限性[1-3]。因此，须根据矿井实际工程概况，对巷道的锚杆布置进行优化以选用合适的巷道支护方式。对于节理发育或岩体破碎的区域，仅仅通过锚喷支护无法满足煤矿井下安全生产的需要，若采用加密锚杆布置、喷锚网支护或者摩擦锚杆支护等手段会增加支护成本，对巷道快速掘进不利[4-6]。锚喷网支护的功效较低，支护效果较差，常出现支护失效的情况，且在该区域长时间进行喷锚网支护作业对工人安全威胁较大。随着计算机技术的发展，数值模拟得到快速发展[7-10]。本文以盛平煤矿为背景，采用数值模拟方法，进行工作面巷道不同支护方式下的稳定性分析，以期为优化巷道支护方式提供参考。

1 支护方案数值模型的建立

依据矿井实际地层分布建立数值模型，采用CDEM命令对巷道进行开挖、支护和计算，模拟埋深700 m，本模型采用应力位移边界条件，水平位移约束施加在左右边界，垂直位移约束施加在下边界，均匀的垂直压应力施加在上边界，按巷道上覆岩层自重计算原岩应力大小，结果为17.5 MPa左右，侧压力系数为1.18。数值模拟岩石力学参数见表1，其中基本顶为砂质泥岩，煤层夹矸为泥岩，直接底为重力砂岩，底板岩层多为L灰岩。支护方式分别为无支护、锚杆支护、锚杆+肩部锚索支护、锚杆+全断面锚索支护，分别记作模型1、模型2、模型3和模型4。开挖后，巷道顶底板和两帮设有表面位移的监测点，用来监测巷道表面位移的变化。开挖模型与监测点设置情况如图1所示。

表1 数值模拟岩石力学参数

图1 开挖模型与监测点设置情况

2 巷道开挖后的围岩应力变化特征

在不同支护方式下巷道开挖后围岩的垂直应力、水平应力及最大主应力变化特征分别如图2～图4所示。

图2 不同支护条件下巷道围岩垂直应力分布

图3 不同支护方案下巷道围岩垂直应力分布

图4 不同支护方案下巷道围岩最大主应力分布

由图2～图4可知，巷道开挖后，浅部围岩的高应力释放，出现应力降低区，随着时间的推移，浅部围岩的应力降低范围增大，浅部围岩的自承能力大幅度降低，然而深部围岩应力不断增大，成为主要承载区。巷道底板的应力降低幅度及范围最大。由于锚杆与锚索的主动支护作用，巷道浅部围岩的自承能力随着支护参数的提高而不断提高，即围岩的承载区随着支护参数的提高由深部不断向浅部转移。

3 巷道开挖后围岩位移变化特征

不同支护方案巷道围岩垂直位移和水平位移分布如图5和图6所示，巷道围岩位移场与支护参数呈反相关性，即随着巷道支护参数的提高围岩位移变小，无支护情况下巷道开挖后底板位移量约为34.2 mm，帮部位移量44.69 mm，顶板位移量15.39 mm；利用锚杆支护后，底板位移量25.28 mm，降低26%，两帮移近量32.71 mm，降低27.2%，顶板位移量13.14 mm，降低14.9%；利用“锚杆+肩锚索”支护后，底板位移量20.26 mm，降低41%，两帮移近量27.09 mm，降低37%，顶板位移量12.11 mm，降低22.6%；采用“锚杆+全断面锚索”支护后，底板位移量16.70 mm，降低51.3%，两帮移近量18.03 mm，降低59.7%，顶板位移量10.07 mm，降低34%。

图5 不同支护方案下巷道围岩垂直位移分布

图6 不同支护方案巷道围岩水平位移分布

不同支护方案下巷道变形统计结果如图7所示，由图7可知，巷道开挖后，其表面位移急剧增加，随后其增加量逐渐变缓，最后趋于稳定，随着支护参数的提高，巷道的顶板下沉量、两帮移近量及底臌量均减小，相对与无支护情况下，其中锚杆支护对三者的影响较大，肩锚索对顶板下沉量的影响较小，但对巷道两帮位移量影响较大，全断面锚索对巷道帮部围岩变形量的影响最明显。从位移的发展趋势来看，巷道围岩的整体向内挤压流动。巷道底臌的递增趋势与两帮变形趋势相近，且关联紧密，底板的破坏将带动巷道两帮的破坏，同时两帮破坏会加剧底板的破坏，最终影响巷道的整体稳定性。

图7 不同支护方案下巷道变形统计结果

4 巷道开挖后围岩塑性区变化特征

巷道的变形破坏是缓慢变化的过程，巷道不同阶段的变形破坏特征与范围不同。开挖巷道后由于围岩应力的释放及转移，围岩强度降低发生变形破坏，同时围岩的变形破坏随时间的推移持续发展。不同支护方案下巷道塑性分布特征如图8所示，随着时间的推移，巷道开挖后周围的塑性区逐渐增大，巷道底板出现拉伸破坏与剪切破坏交错变化，巷道的其它部位开挖初期拉伸破坏和剪切破坏交错出现，然后迅速变为单一的剪切破坏，而且底板拉伸破坏的范围明显比其它部位大，无支护状态下的巷道开挖后，围岩塑性区的最大深度约为4 m。巷道支护后围岩塑性区范围明显缩小。