基于FLAC3D的破碎围岩巷道支护效果分析

2022-03-07雷卫锋

江西煤炭科技 2022年1期

雷卫锋

（陕西小保当矿业有限公司，陕西神木 719300）

近年来，我国井工开采的煤矿不断向埋深更深、地质赋存条件更复杂的深部开采。

随着矿井开采深度的不断延伸，巷道围岩应力也在不断地增加。巷道开挖过程中，低强度的围岩因受到应力扰动而变得破碎，增加了巷道的支护难度[1]。目前，针对破碎围岩巷道支护的相关研究较少，且不同矿区地下岩层特性差异较大，影响破碎围岩支护方式选择的因素较多[2-3]。为此，本文用数值模拟的方法，分析旺盛煤矿下工作面巷道不同围岩支护方式的围岩控制效果，旨在为破碎围岩支护方式确定提供一定的参考。

1 工程背景

该矿区破碎围岩巷道埋深为500 m 左右，经地质勘探得到顶板上覆岩层中由上至下依次为砂岩、高岭石化的碎裂岩、黄岗岩、糜棱岩和灰岩。其中砂岩厚度为8 m，高岭石化的碎裂岩厚度为10 m，花岗岩厚度为12 m，糜棱岩和灰岩的厚度均为10 m。巷道形状为半圆拱形，其尺寸为3 900 mm×3 600 mm，半圆拱部分的半径R=2 700 mm。该矿区在开采前期采用了木支护、预制混凝土和槽钢支护等被动支护方式，但未取得理想的支护效果，并且采用以上方式进行支护后，围岩的变形量较大，出现支护失效的问题。

2 数值模拟

2.1 模型建立

考虑到该矿区内破碎围岩的强度较低，本文采用FLAC3D软件分别分析了锚杆支护、锚喷支护和锚喷网和锚索耦合支护三种方式下的围岩控制效果。模型尺寸为50 m×30 m×50 m，边界条件设置为上部载荷P=γH=0.028×500=14 MPa，左右采用Y 方向位移约束,前后采用X 方向位移约束，底部采用固定约束的方式。模型中所采用的巷道围岩的物理力学参数如表1所示，巷道断面图及构建完成后的模型如图1（a）、图1（b）所示。

图1 巷道断面图及模型

表1 围岩力学参数汇总

2.2 支护参数

本文主要针对锚杆支护、锚喷支护、锚喷网＋锚索耦合支护方式下的围岩控制效果进行分析，其支护参数如下：

（1）锚杆支护：间排距为1 000 mm，每排锚杆个数为9 根，距离底板1 000 mm。

（2）锚喷支护：锚杆间排距为1 000 mm，每排锚杆个数为9 根，距离底板1 000 mm。喷射混凝土的强度为C20，喷射厚度为50 mm。

（3）锚喷网＋锚索支护：锚杆间排距为1 000 mm，每排锚杆个数为8 根，距离底板1 000 mm；锚索长度为6 m，直径为21.5 mm，每排5 根；喷射混凝土的强度为C20，喷射厚度为50 mm。

本文所设计的锚杆均为树脂型锚杆，利用经验法并结合巷道断面形状确定锚杆尺寸为：直径20 mm，长度为2 000 mm，间距为1 000 mm。三种支护方案中所用支护材料力学参数如表2、表3所示。

表2 锚杆力学参数汇总

表3 锚索及混凝土力学参数汇总

3 分析与讨论

利用FLAC3D软件分别对以上三种支护方式下破碎围岩巷道内的应力分布、变形量以及塑性区范围进行了分析，其分析结果如图2～图4所示。

图2 不同支护方式下竖直方向应力分布云图

图4 不同支护方式下塑性区分布云图

如图2所示，三种支护方式下，巷道所受应力主要集中在顶板与底板位置，且表现为拉应力。相比于锚杆支护方式，后两者支护方式中顶板应力集中现象不明显，且两帮附近压应力影响范围也远小于锚杆支护方式。通过对比图2（b）和图2（c）可以发现，两种支护方式下在顶底板位置处的拉应力大小相差不大，但锚喷＋锚索支护方式下的构造应力影响范围要小于锚喷支护。由此可知，采用锚喷＋锚索支护可以较好地发挥主动支护的优势，从而缩小围岩内应力集中的影响范围。

如图3所示，采用锚杆支护方式时，顶、底板在竖直方向的位移量依次为113 mm 和125 mm；采用锚喷支护时，顶、底板的位移量依次为90.6 mm 和115.8 mm；采用锚喷＋锚索耦合支护时，顶、底板的位移量仅为40.3 mm 和76.2 mm。采用锚喷＋锚索耦合支护方式可以较好地减小顶底板位移量。

图3 不同支护方式下垂直位移分布云图

如图4所示，采用锚杆支护时，巷道顶底板率先进入塑性区，之后塑性区范围转移至两帮以及两帮与顶底板交界处，并延伸至距离巷道壁10 m左右围岩内；采用锚喷支护时，巷道开挖初期的顶底板和两帮均会产生塑性变形，随着时间推移塑性区会向围岩深部转移，此时塑性区范围相比锚杆支护时明显减小；采用锚喷＋锚索耦合支护时，巷道围岩内部塑性区范围再次减小，但此时底板处出现拉伸应变的塑性区范围，随着时间的推移，塑性区会转移至底板与两帮交界处。由此可见，采用锚喷支护后可以使围岩处于相对稳定的支撑状态，但塑性区间较大；采用锚喷＋锚索耦合支护会缩小塑性区范围，可以较好地控制围岩变形。