三维条件下煤矿巷道锚杆支护参数正交数值模拟研究

李小裕 丁 楠 蒋力帅

(山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266510)

三维条件下煤矿巷道锚杆支护参数正交数值模拟研究

李小裕 丁 楠 蒋力帅

(山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266510)

基于兴隆煤矿实际工程地质条件，采用有限差分数值模拟软件FLAC3D，通过正交试验法设计模拟方案，模拟了煤矿巷道三维空间中不同锚杆支护参数及布置形式下巷道顶板沿走向和倾向的变形破坏情况，得到了锚杆长度、预紧力、支护密度和布置形式对巷道顶板变形的影响规律，通过正交分析得出各因素对顶板变形的重要性排序依次为支护密度、预紧力、布置形式、锚杆长度。研究结论可为相似工程条件下巷道支护设计提供参考依据。

锚杆支护 支护设计 三维条件 数值模拟 正交试验

AbstractBased on the geological engineering conditions of Xinglong Mine, using FLAC3D finite difference numerical simulation software and the orthogonal test method to design simulation schemes, roof deformation along the directions of both strike and tendency with different rock bolt support schemes and parameters were simulated. The influencing laws of support density, pre-tension, bolt length and layout pattern on roof deformation were figured out by numerical simulation and orthogonal test analysis, which indicated that the importance sequence of each factor to the deformation of roof were support density, pre-tension, layout pattern and bolt length. The research could provide reference for roadway support design under similar engineering conditions.

Keywordsrock bolt support, support design, three-dimension condition, numerical simulation, orthogonal experiment

科学合理的锚杆支护设计对于充分发挥锚杆支护的优越性及保证巷道的稳定性有非常重要的意义。支护设计不合理会造成支护强度和成本的冗余或欠缺，不能有效遏制围岩的变形破坏，造成巷道安全事故。国内外学者经过多年的理论研究、现场应用和反馈完善，形成了一套比较科学的锚杆支护设计方法，即在对巷道围岩地质力学参数详细测试与整理的基础上，根据煤矿巷道特点并结合数值模拟的方法，采用比较合理的锚杆支护设计方法，后期进行井下支护数据监测，并根据监测数据修正和完善初始设计。其中，锚杆支护初始设计是采用数值模拟结合经验、类比等方法确定。通过数值模拟可以定量直观地研究巷道围岩移近量、应力及破坏分布；各工程地质因素、支护参数对巷道围岩变形与破坏的影响，从而合理优化支护参数。本文基于兴隆煤矿实际工程地质条件，采用有限差分数值模拟软件FLAC3D，通过正交试验法设计模拟方案，研究三维条件下不同支护参数及支护形式对巷道变形破坏的影响规律。

1 巷道数值模型及变形监测点布置

以兴隆煤矿现场地质条件为研究背景，采用连续介质力学分析软件FLAC3D建立三维数值模型。数值模型外轮廓尺寸为40 m×60 m×34 m。矩形巷道沿煤层底板保留1 m煤皮掘进，巷道宽6 m，高4 m。为了消除每个方向的边界效应，巷道在模型中部开挖。模型单元体采用FLAC3D内置的应变软化模型。

模型四周和底部采用位移限定边界，即模型底面在竖直方向上速度为零，4个侧面沿水平方向速度为零，模型顶面施加竖直向下的应力边界，沿Z轴负方向的主应力为25 MPa，最大水平主应力为15 MPa，最小水平主应力为15 MPa，由于34 m高的模型垂直应力仅相当埋深1000 m模型的3.4%，故不考虑应力梯度。在Y方向0～20 m平面范围内进行锚杆支护，岩体力学参数见表1，建立数值模型如图1所示。

为了研究巷道顶板在开挖后的变形情况，在巷道监测段截面Y=10平面内顶板上走向均匀布置13个顶板变形监测点，如图2所示；在巷道监测段截面X=0平面内顶板上倾向均匀布置20个顶板监测点，如图3所示。

采用Cable结构单元模拟顶板锚杆支护，锚杆自由段和锚固段的不同力学特性通过赋予不同的结构单元力学参数体现，见表2，采用极大值法(将自由段端头构件参数设置为极大值来模拟锚杆托盘)将预紧力施加于锚杆自由段。

图1 数值模型

图2 顶板变形倾向监测点布置示意图

图3 顶板变形走向监测点布置示意图

表1 岩体物理力学参数

表2 锚杆力学参数

2 正交试验方案

正交试验是基于数理统计学与正交性原理研究多因素多水平的一种设计方法，根据正交性挑选出部分有代表性的点，用正交表来设计试验方案和分析试验结果，并通过这几次试验的数据，找到最优的或较优的方案，用尽量少的试验得到最优的试验结果。正交试验法能够有代表性地安排组织试验，比较全面地反映各因素、各水平对指标影响的大致情况。

本文主要针对回采巷道锚杆支护参数及布置形式中的锚杆长度、支护密度(间排距)、支护布置形式及预紧力4个因素。将此4个参数作为正交试验的4个因素，每个因素取3个水平，因素和水平的变化情况见表3，锚杆布置形式如图4所示。

表3 数值模拟试验水平因素表

图4 顶板锚杆支护布置形式

采用4因素3水平的正交试验方案，建立9个FLAC3D数值计算模型，按照对应的试验号分别对每个模型施加相应的锚杆支护参数及布置形式，监测巷道开挖后顶板位移监测点数据，并求得各模型的巷道顶板平均下沉量数据，具体方案和试验结果见表4。

表4 数值模拟试验方案

3 数值模拟试验结果及分析

采用极差分析法分析数值模拟试验结果,极差分析法通过对每个因素的平均极差来分析问题，极差的大小反映了该因素选取不同的水平时，水平变动对指标的影响大小。由表4求出各因素每个水平的均值和极差，可以得出如表5和表6所示的均值和极差分析结果。

表5 顶板走向平均下沉量极差分析

表6 顶板倾向平均下沉量极差分析

综合表5、表6顶板平均下沉量极差分析的数据可知，锚杆支护密度(间排距)因素极差最大，其次是预紧力因素，然后是支护布置形式因素，长度因素极差最小，即对顶板变形的重要性排序依次为支护密度、预紧力、布置形式、锚杆长度。

(1)与其他锚杆支护参数相比，锚杆支护密度(间排距)对巷道顶板变形破坏影响最大。锚杆支护间排距过大，难以有效提高巷道顶板的整体承载能力和稳定性，影响支护效果；提高支护密度，减小锚杆间排距，有利于提高顶板承载能力，控制围岩变形量，从而增强顶板稳定性。

(2)锚杆预紧力是锚杆支护系统的关键参数。随着预紧力的增大，巷道顶板变形下沉量显著减小，对顶板的变形破坏有非常大的影响。这表明锚杆的预紧力应是锚杆支护优先考虑的参数。

(3)锚杆支护布置形式对顶板稳定性也有显著影响。锚杆支护布置形式决定了形成的稳定区域面积的大小，及稳定区域彼此咬合的紧密程度，试验证明在同等地质条件下三花型布置的时候巷道顶板变形最小，说明在这种布置形式下锚固区域稳定性最强。

(4)锚杆长度对巷道顶板变形破坏也有一定影响，锚杆长度与围岩变形量成反比例关系。不过，锚杆长度加大到一定值后，再增加锚杆长度对锚固体强度已无明显作用。

4 结论

通过基于正交试验设计的巷道支护三维数值模拟分析，研究得到锚杆支护长度、支护密度、布置形式及预紧力对巷道顶板变形破坏的影响程度。研究结果表明，锚杆支护密度是影响巷道顶板变形破坏最重要的参数；锚杆预紧力是巷道锚杆支护系统的关键参数，在进行支护设计时需要高度重视；锚杆支护布置形式、锚固长度对巷道顶板的变形与破坏也有一定影响，但在当前工程地质条件下对顶板稳定性的改善效果不如支护密度及预紧力。

[1] 康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践 [J].岩石力学与工程学报，2005(21)

[2] 王金华.我国煤巷锚杆支护技术的新发展 [J].煤炭学报，2007(2)

[3] 侯朝炯.巷道围岩控制 [M].北京：中国矿业大学出版社，2013

[4] Martin D, Kaiser K, McCreath R. Hoek-Brown parameters for predicting the depth of brittle failure around tunnels [J]. Canadian Geotechnical Journal，1999(1)

[5] 杨振茂,马念杰,孔恒等. 以地应力为基础的锚杆支护设计方法 [J].岩石力学与工程学报，2003(2)

[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(5)

[8] 王永秀,毛德兵,齐庆新. 数值模拟中煤岩层物理力学参数确定的研究 [J].煤炭学报，2003(6)

(责任编辑 陶 赛)

Numericalsimulationoncoalmineroadwaysupportparametersin3Dconditionbasedonorthogonaltestmethod

Li Xiaoyu, Ding Nan, Jiang Lishuai

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510, China)

TD353

A

国家自然科学基金面上项目(51374139，51574155)，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金(SKLGDUEK1725)

李小裕，丁楠，蒋力帅. 三维条件下煤矿巷道锚杆支护参数正交数值模拟研究 [J]. 中国煤炭，2017,43(9)：44-47. Li Xiaoyu, Ding Nan, Jiang Lishuai. Numerical simulation on coal mine roadway support parameters in 3D condition based on orthogonal test method [J]. China Coal，2017,43(9)：44-47.

李小裕(1993-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，主要研究方向为矿山压力与岩层控制。