基于数值模拟的巷道交叉口支护参数优化研究

王建贵，杨八九，者亚雷

(1.云南锡业股份有限公司， 云南 红河州 661000；2.云南亚融矿业科技有限公司， 云南 昆明 650000)

0 引言

巷道开挖后，破坏了围岩的原岩应力平衡，引起新的应力分布，巷道围岩的应力状态由原来的三向应力状态改变为二向应力状态，水平应力向拱顶岩层转移，垂直应力向两帮转移，拱顶以下岩层主要受水平应力作用，容易失稳破坏[1-2]。当交叉口处第二条巷道掘进时，会再次引起围岩应力的重新分布，造成支承压力的相互叠加，拱顶岩层承受的水平应力会进一步增大。虽然第一条巷道掘进时的锚杆可以控制水平应力作用下顶板岩层的剪切破坏，但在对交叉口处巷道进行施工时，顶板上位岩层会产生新的松动离层破坏区，使得顶板岩层潜在冒落危险。研究表明，交叉口处第二条巷道掘进后，应力集中系数比开掘前增大40%～50%[3-4]。因此交叉口处巷道的支护参数优化研究具有重要意义。

1 工程概况

本次研究对象为大屯锡矿高峰山矿段无轨巷道交叉口，巷道为三心拱断面，单一断面大小为4.5 m×4.3 m，交叉口位置开挖后顶板最大暴露面积约为93.72 m2（图1中画斜线区域）。巷道位于大理岩层中，通过室内试验得到岩块力学参数后采用Hoek-Brown强度准则折减确定高峰山矿段大理岩岩体黏聚力c=0.3219 MPa，内摩擦角φ=37.69°，抗拉强度τ=0.3164 MPa，弹性模量G=9.0794 GPa。容重为γ=27.2 kN/m3。巷道距地表的埋深H=1000 m，交叉口处巷道相关尺寸见图1。

图1 大屯锡矿巷道交叉口相关尺寸示意

2 锚索长度计算

锚索长度L由下式确定：

式中，L1为锚索内锚固段长度，m；L2为锚索自由伸段长度，m；L3为锚索张拉段长度，m。

锚索的锚固段长度L1按照锚索与水泥药卷粘接强度相匹配原则确定：

式中，d1为锚索直径，mm；fsf为锚索的抗拉强度，查得2246.5 N/mm2；fcs为树脂药卷与锚索的粘接强度，10 N/mm2。K为安全系数，取1.2。

锚索自由伸长段L2由不稳定围岩的松动范围来确定：

式中，B为巷道掘宽，按巷道交叉口处最大跨度计算，13.7 m；H为巷道掘高，m；f为顶板岩石普氏系数；ω为两帮围岩的似内摩擦角，°。

锚索外锚段长度L3应满足安设锚具的张拉需要，取L3=0.3 m。

3 模型的构建

根据弹塑性力学理论可知，在承受均匀载荷的无限大弹性体中开挖圆孔后，孔边的应力状况会发生明显变化：在3倍孔径的区域，应力较原始状态增加11%；在5倍孔径的区域，应力的相对差值已小于5%，这样的应力变化在工程上可以忽略不计。因此，在计算中可以把 3～5倍孔径的区域作为计算域。为了满足计算需要和保证计算精度，本次计算采用的模型尺寸为巷道尺寸的5倍。X方向长度为200 m，Y方向长度150 m，Z方向长度为104.15 m。建好的计算模型如图2所示。

图2 巷道交叉口模型

由于采动影响范围有限，在离巷道较远处的岩体位移值将很小，可将计算模型边界处位移视为零。因此，计算域边界采取位移约束，即模型底部所有节点采用x、y、z三个方向约束，模型x方向的两端采用x方向约束，模型y方向的两端采用y方向约束。巷道埋深按1000 m计算，模型顶部围岩为大理岩，施加27.2 MPa的力模拟上覆岩层自重。

4 计算方案

结合现场实际制定的计算方案见表 1，锚索长度在理论计算值5.59 m的基础上适当加长。

表1 计算方案

5 计算结果分析

5.1 无支护时巷道稳定性分析

从图3、图4可以看出，交叉口处巷道开挖后，巷道围岩有一定的移动变形，位移量最大的区域发生在两条巷道交叉口拱顶及边壁位置，最大位移量为 10.9 cm。巷道开挖后裸巷围岩出现了大范围的塑性区，且塑性区整体连片，说明此时巷道处于不稳定状态，会发生垮塌或失稳破坏。

图3 方案一：不支护整体位移

图4 方案二:不支护整体塑性区

5.2 支护巷道稳定性分析

5.2.1 整体位移

巷道开挖后采用喷锚支护，其中方案四、方案五（见图5）采用锚杆+锚索支护方式，在巷道开口处增加6 m、8 m长锚索进行加固支护。

从图5可以看出，与不采用支护手段相比，锚杆支护后围岩位移从10.9 cm减小到9.23 cm、9.04 cm，效果不是特别明显，而增加锚索加固后两方案的围岩位移从10.9 cm减小到6.15 cm、5.72 cm，比不支护时减小了近一半，效果较好。

图5 不同支护方案的巷道围岩位移

5.2.2 锚杆、锚索受力分析

由于方案较多，以下选取不采用锚索支护的方案三和锚索加固后的方案四进行锚杆、锚索的受力分析。

从图6可以看出，受力最大的锚杆、锚索均在巷道交叉口处，交叉口处锚杆所承受的载荷相应地比其它部位高0.5倍左右。不打锚索时，交叉口锚杆受力最大值为99.71 kN，而现场测试的锚杆拉拔力仅为50 kN左右，此时锚杆受力已远超其自身的拉拔力值，处于失效状态；采用锚索加固后交叉口受力最大值由锚杆转移到锚索上，达到153 kN，此时锚杆的受力明显减小，说明锚索发挥了极其重要的作用，能够较好的控制顶板地压，减小锚杆受力，使整体支护达到较好的效果。

图6 各方案锚杆、锚索受力

5.2.3 塑性区分析

由于方案较多，仅对选取不采用锚索支护的方案三和锚索加固后的方案四进行塑性区分布的比较。

从图7可以看出，交叉口处巷道整体采用锚杆支护后，巷道围岩塑性区与不支护相比有所减少，巷道开口处仍存在塑性区连片的现象。而拱顶采用锚索加固支护后，开口处的塑性区较锚杆加固方案明显减少，并且塑性区都是独立存在，没有明显连片现象。这是由于巷道交叉口处的潜在冒落区范围较大，普通的锚杆（长度在2.4 m以下）不能伸入到冒落区以外，只能加固潜在冒落区内的岩层，所以为了防止顶板上位岩层的大面积冒落，需要在交叉口处布置锚索，穿过潜在冒落区伸入到顶板深部稳定的岩层中。因此，在巷道开口处打长锚索进行加固支护有利于巷道围岩整体稳定。

6 结论

（1）采用FLAC3D数值模拟软件对大屯锡矿巷道交叉口支护方案进行模拟分析，认为采用锚索加固能较好的控制围岩变形，支护后围岩位移量仅为锚杆支护时的63%，效果显著。

图7 锚杆支护与锚索加固后塑性区分布

（2）采用锚索加固后交叉口最大受力值转移到锚索上，达到153 kN，此时锚杆区域的受力明显减小，说明锚索发挥的作用明显，能够较好的控制顶板地压，减小锚杆受力，使群体支护达到良好的效果。

（3）由于巷道交叉口处的潜在冒落区高度较大，普通的锚杆（长度在2.4 m以下）不能伸入到冒落区以外，为防止顶板上位岩层的大面积冒落，在交叉口处布置锚索，穿过潜在冒落区伸入到顶板深部稳定的岩层中有利于巷道围岩的稳定。

（4）通过综合分析，结合锚索长度的理论计算，认为锚杆长度为2.2 m，锚索长度为6 m，锚杆间排距为1.1 m×1.1 m，锚索间排距为2 m×2 m的联合支护方案是经济合理的可行支护方案。

（5）研究成果为大屯锡矿巷道交叉口的支护提供了理论依据，研究结果具有一定的参考价值。