枫香矿区回采巷道锚杆支护设计FLAC3D 模拟分析＊

高 林 ，刘 勇，崔道品，李 可，芦庆和

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083;2.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳550025;3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳550025;4.贵州省复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州 贵阳550025;5.贵州理工学院 采矿工程学院，贵州 贵阳550003)

枫香矿区位于贵州省遵义县西北部枫香镇境内，矿区内煤炭资源丰富，探明储量达1.2 亿吨，目前主要以年产30 万吨/a 及以下小型煤矿为主。在国家相关政策的要求下［1］，目前贵州省正在大力推进小型煤矿机械化开采的进程。小型煤矿采用机械化开采以后，回采巷道断面不可避免地相应增大。为此，贵州省安全生产监督管理局、贵州省煤矿安全监察局在下发的《关于煤矿采煤工作面运输巷回风巷设计审查施工规定的通知》(黔安监办〔2011〕205 号)一文中明确指出［2］，采用普通机械化开采的矿井回采巷道净断面不得小于8 m2。以往矿区内煤矿主要采用工字钢等被动支护形式，鉴于煤巷锚杆支护的优越性，针对该矿区回采巷道锚杆支护技术进行了具体研究。

在研究先期阶段，通过现场回采期间巷道表面位移的观测，总结分析出了采动影响下回采巷道矿压显现规律;通过实验室测定，得到了回采巷道围岩力学参数;通过岩层钻孔探测仪的现场实测，得到了围岩破坏松动圈范围。在以上研究的基础上，采用模糊聚类和围岩松动圈分类法确定了该矿区范围内煤矿回采巷道围岩稳定性类别属于Ⅲ(一般围岩)～Ⅳ(一般不稳定围岩)类。

选择纸房煤矿1701 运输巷作为工程实践对象，基于松动圈支护理论［3］，进行了锚杆支护初始设计参数确定，为确保下一步工程实践效果的可靠性，在工程实践之前试图通过数值模拟软件进行支护设计可靠性初步模拟分析。

1 回采巷道锚杆支护设计

1.1 设计方法的确定

巷道锚杆支护中支护设计是一项关键技术，对最大限度发挥锚杆支护的优越性，保证巷道支护安全具有十分重要的意义。如果支护形式和参数设计不合理，就会造成两个极端:要么是支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且影响掘进速度;要么是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，出现冒顶事故。因此，合理地确定支护形式和参数是设计的最终目标［4］。

目前，根据国内外锚杆支护技术研究成果，锚杆支护设计方法主要分为三大类:工程类比法、理论计算法和数值模拟法［5］。我们通过分析并结合现场实际条件，综合提出了“初始设计(理论计算法)→数值模拟→现场监测→最终确定支护形式及参数”回采巷道锚杆支护设计思路，具体流程如图1。

1.2 支护初始设计

图1 设计思路示意图

根据确定的设计方法及已有的研究成果，纸房煤矿1701 运输巷锚杆支护初始设计如图2 所示。

锚杆支护形式及相关参数:采用锚网支护形式，回采巷道顶板、两帮分别选用Ф22 ×2200、Ф20×2000 螺纹锚杆，设计锚杆间排距800 ×800 mm，选用Z2335 树脂锚固剂，全长锚固，并铺设40 mm×40 mm 菱形金属网。

图2 1701 运输巷锚杆支护设计(图中单位:mm)

2 数值模拟分析

为进一步验证锚杆支护初始设计的合理性，研究中采用大型非线性有限差分软件(FLAC3D)数值模拟程序对纸房煤矿1701 运输巷巷道围岩受力、变形、破坏特征进行模拟分析。

2.1 FLAC3D应用程序简介［6-8］

FLAC 程序(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美国明尼苏达大学和美国Itasca Consulting Group Inc.于20 世纪80 年代推出的专门模拟地质材料和岩土工程非线性力学行为的大型标准化程序，是目前国际岩土工程界和采矿工程界公认并得到广泛推广应用的数值方法。

FLAC3D采用拉格朗日差分算法不仅可以模拟材料的屈服、塑性流动、非线性大变形等力学行为，而且可以进行渗流分析、热力学分析、地震动力分析以及岩土体的蠕变行为分析等计算。另外，该程序还可以完成流—固耦合、力—热—水耦合及渗流—地震耦合分析等多种功能。

FALC3D为岩土工程问题的求解开发了10 种材料模型，能够模拟与岩土体相互作用的结构单元，如隧道衬砌、锚杆/锚索、桩/梁以及土工织物等的受力与变形等。FALC3D具有良好的前、后处理功能，程序内嵌的FISH 语言能够让用户定义新的变量和函数，以用于满足不同的岩土工程问题。因此选用该软件来模拟煤矿巷道支护与工作面回采过程是非常合适的。

FLAC3D软件数值模拟计算分析的一般步骤如图3。

图3 数值模拟计算分析过程图

目前，FLAC3D软件已在矿山设计方面得到了广泛应用，尤其是在巷道锚杆支护方面，通过FLAC3D对初始设计方案进行模拟预测与分析已经越来越成为一种趋势。

2.2 锚杆支护围岩变形数值模拟分析

1)模拟巷道说明

根据所研究及解决的问题，模拟对象为纸房煤矿1701 运输巷。对所设计的锚杆支护形式进行数值模拟分析，根据围岩应力和围岩变形量大小验证1701 运输巷锚杆支护初始设计是否合理。1701 运输巷锚杆支护形式及相关参数见图2，巷道断面的形状为斜顶梯形，断面尺寸为3.60 m×2.671 m。

2)模拟巷道煤岩层物理力学参数

研究过程中，除现场地质调查和收集的相关地质资料外，同时在枫香矿区采集了研究矿井回采巷道煤层顶、底板岩样和煤层煤样，而后在实验室加工制取了标准试件，进行了岩石单向抗剪实验、岩石在单向压缩状态下的变形参数测定实验、岩石单向抗拉强度测定等实验。记录了实验数据，并对实验数据进行了分析和处理，计算得出了各煤岩层一些物理力学参数，如内摩擦角φ、凝聚力C、抗压强度、抗拉强度等，整理得出了实验报告。根据实验报告，C7 煤层及其顶底板岩性及物理力学性质见表1。

表1 C7 煤层顶底板岩性及物理力学性质

3)数值建模

在建模过程中严格按照地质剖面图的尺寸，坐标系采用直角坐标系，XOY 平面取为水平面，Z 轴取铅直方向，并且规定向上为正，整个坐标系符合右手螺旋法则。取纸房煤矿1701 运输巷左下角点为坐标原点，水平向右为X 轴正方向，沿巷道径向为Y 轴正方向，垂直向上为Z 轴正方向，重力方向沿Z 轴负方向。三维模型的边界条件取为:四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。数值计算中分别模拟巷道的应力、位移分布。

图4 ～5 为数值模型图。

图4 巷道整体模型效果图

图5 巷道与顶底板煤岩层分布图

4)模拟结果及分析

FLAC3D模拟结果见图6 ～9。

图6 1701 运输巷巷道围岩垂直应力分布图

图7 1701 运输巷巷道围岩水平应力分布图

图8 1701 运输巷巷道围岩垂直位移分布图

图9 1701 运输巷巷道围岩水平位移分布图

3 模拟结果分析

1)由图6 ～7 可知，当纸房煤矿1701 运输巷按照所设计的锚杆支护形式进行支护时，巷道围岩在垂直方向上所受最大应力为11.616 MPa，最小水平应力为6.5476 MPa。由垂直及水平应力分布图可知，改用锚杆支护斜顶梯形回采巷道后，巷道应力集中区域范围明显减少，应力值不大。

2)由图8 ～9 可知，围岩位移量在垂直方向上为36.449 mm，水平位移为38.779 mm。从垂直及水平位移分布图来看，锚杆支护后，围岩变形量较小，说明采用锚杆支护后，极大的抑制了围岩的变形量，有效的控制了围岩的稳定性。

4 结论

文章采用FLAC3D数值模拟软件对回采巷道锚杆支护初始设计进行了模拟分析，从1701 运输巷掘进后巷道围岩应力场、位移场来看，采用锚杆支护后，巷道围岩变形量和受力情况都相对较好，表明所采用的锚杆支护形式及支护参数较合理。因此，在枫香矿区此类围岩回采巷道中实施锚杆支护是可行的，下一步可应用于工程实践。

锚杆支护设计中，首先采用理论计算法进行锚杆支护初始设计，再通过数值模拟分析的方法确保初始设计的可靠性后进行工程实践，可大大提高锚杆支护设计精度和降低工程实践的盲目性和不确定性。

［1］国家安全监管总局，国家煤矿安监局，国家发展改革委，国家能源局.关于推进小型煤矿机械化的指导意见［EB/OL］. http://www. chinasafety. gov. cn/newpage/Contents/Channel _6491/2010/1025/132005/content_132005.htm，2010 -10 -15.

［2］贵州省安全生产监督管理局，贵州省煤矿安全监察局. 关于煤矿采煤工作面运输巷回风巷设计审查施工规定的通知［EB/OL］. http://www. gzaj. gov. cn/ywzx/mkaqsc/gwgg/57965. shtml，2011 -10 -21.

［3］董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术［M］. 北京:煤炭工业出版社，2001.

［4］何满潮，袁和生，靖洪文.中国煤矿锚杆支护理论与实践［M］.北京:科学出版社，2004.

［5］康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.11.

［6］康红普.回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC 分析［J］. 岩石力学与工程学报，1999，18(5):534 -537.

［7］刘波，韩彦辉.FLAC 原理、实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［8］伍永平，杨永刚，来兴平，等. 巷道锚杆支护参数的数值模拟分析与确定［J］. 采矿与安全工程学报，2006，23(4):398 -401.