新集二矿支护技术数值模拟研究

2023-06-07刘志超

河南科技 2023年9期

刘志超

摘要：【目的】为了探究当前支护设计的合理性，减小巷道的变形，使工程顺利进行。【方法】本研究以新集二矿某巷道作为工程背景，运用FlAC3D软件对三条巷道进行模拟分析，并对预计的支护设计方案进行数值模拟。【结果】最终得出三条巷道整体支护效果良好，变形量在合理范围内，但个别巷道受掘进、采动影响变形破坏较严重。【结论】针对此结果应单独加强后期补强支护，以使该支护设计方案在项目中可以达到预期效果。

关键词：数值模拟；多条巷道；锚杆支护；锚索支护

中图分类号：TD353 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）09-0049-05

Abstract： [Purposes] In order to explore the rationality of the current support design， reduce the deformation of the roadway and make the project proceed smoothly.[Methods] In this study， a roadway in Xinji No.2 Mine was used as the engineering background. The three roadways were simulated and analyzed by using FlAC3D software， and the expected support design scheme was used for numerical simulation.[Findings] Finally， it is concluded that the overall support effect of the three roadways is good， and the deformation is within a reasonable range， but the deformation and failure of individual roadways are serious due to excavation and mining. [Conclusions] In view of this result， the later reinforcement support is strengthened separately， so that the support design scheme can achieve the expected effect in the project.

Keywords： numerical simulation; multiple roadways; bolt support; anchor support

1 工程概況

新集二矿210813里风巷、机巷和210818底板巷井下位置位于二水平东翼2108采区。巷道断面形状有拱形和梯形断面，风巷和机巷处于8煤层中，底板巷主要位于7-1煤层及其顶、底板岩石层位中，煤层埋深在700～750 m范围内，7、8、9煤平均开采厚度分别为2.50 m、3.17 m和1.08 m。由于三个煤层中巷道掘进、开采对其巷道有反复扰动影响，二次扰动效应影响导致巷道围岩应力分布情况更加复杂，支护难度也相应提升。为解决二次扰动现象造成的影响，对7、8、9煤巷道支护设计进行研究。

2 支护方案设计

依据极限平衡理论计算新集二矿7、8、9煤巷道支护参数，并结合以往工程经验，选取适当的材料规格［1-10］。230818底板巷巷道支护设计形式如图1所示。由于230813风巷、230813机巷巷道断面尺寸形式与该底板巷巷道差异不大，且有一个梯形断面，基于该巷道支护设计进行数值模拟，进而分析在该支护方案下巷道间的相互影响和巷道围岩的稳定性。

3 数值模拟研究

3.1 模型建立

基于不同影响因素的研究需求，根据新集二矿7、8、9煤地质采矿条件，建立FLAC3D数值分析模型，模型x向长160 m，y向长40 m，模型高度68.6 m。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，水平应力按静水压力设置。模型采用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则见式（1）。

模拟时锚杆和锚索等结构材料的参数，全部按照矿方常用支护材料和原支护设计时所采用的材料参数计算，若无相关材料（比如原支护没有锚索支护），则该参数选用设计方案中所选用的材料参数来替代。而岩层的力学参数则根据矿方地质资料来确定，考虑到施工现场与室内试验的条件差异，对部分岩体力学参数进行调整，模拟所取的岩体力学参数见表1。

为使模拟结果更贴近实际情况，按照矿方真实施工顺序，先进行9煤煤层的开挖支护，在9煤回采期前完成7-1煤底板巷的施工，之后进行9煤的回采，然后8煤掘进支护，再开采，由于软件中无法将各个步骤清晰地展现，在模拟中通过模拟开采掘进顺序，来施加应力达到理想效果。由于本项目研究重点为巷道围岩稳定性和支护效果，考虑到三种不同断面尺寸、形状的巷道在同一模型中建模的复杂性，为提高运算速度，且更直观地反映巷道在支护作用下围岩的稳定影响，将风巷、机巷简化为矩形巷道。相较于拱形巷道，对支护结构的依赖性更高，相对于梯形断面，效果大致相同，底板巷的断面形状不做改动，数值模拟模型体现效果如图2所示。

3.2 不同巷道应力对比分析

三条巷道围岩水平和垂直应力和分布曲线如图3所示。由图3可以看出以下几个方面。

①底板巷巷道两帮附近的应力集中区域逐渐后移且不断增大。巷道顶底板水平应力不断减小，相较于不同位置的三条巷道，在竖直方向上的两条巷道顶底板水平应力受两条巷道距离影响，底板巷巷道地应力的增大，水平应力随之增加；相较于8煤中两条邻近巷道而言，风巷受到7煤底板巷的影响，因此水平应力相比于机巷较大，水平应力峰值达到22 MPa，底板巷水平应力峰值达到19.8 MPa，机巷水平应力最小，为19.4 MPa。

②处在8煤层的风巷和机巷之间，距巷道帮部2 m处存在应力增大区域，并在巷道顶角与底角处存在的应力集中区域相连接，且这种现象在大断面巷道处更为明显。由此现象可以得出，若巷道间距的进一步减小，岩柱侧帮部应力增大区域与顶角和底角处应力集中区域相贯通，岩柱内垂直应力将进一步增大。

③对7煤层底板巷而言，与8煤风巷右帮应力增大区域相贯通，侧帮岩柱整体处于较大垂直应力之中，且7煤底板巷由于和8煤风巷位于同一垂直方向上，受采动和地应力影响，底板巷所受垂直应力较大，帮部垂直应力较为集中。

④底板巷帮部垂直应力峰值大于风巷和机巷，其中岩柱侧应力峰值大于非岩柱侧，且巷道间距越小，岩柱侧帮部集中应力峰值越大，对比差异更为明显。其中底板巷帮部垂直应力峰值为32.5 MPa，明显大于非岩柱侧应力峰值，岩柱整体处于高应力之下，严重影响了巷道围岩的稳定性；风巷和机巷垂直应力峰值差别不大，风巷最高32 MPa，机巷峰值最高为31 MPa，应力峰值相近，周围围岩所受邻近硐室的影响较小。

3.3 不同巷道位移对比分析

三条巷道围岩水平、垂直位移分布如图4所示，由图4可以看出以下几个方面。

①对于8煤巷道而言，底板围岩位移明显小于顶板围岩位移，7煤层中底板巷底板围岩位移量较顶板相对较多，破坏也比较严重。8煤层中，机巷底臌量较大，峰值达到49 mm，风巷底臌量最大达到40 mm，而7煤层中底板巷底臌量最大41.5 mm。由此可知，相对于矩形巷道和拱形巷道，拱形巷道断面尺寸相对较大，且所处位置地应力也相对较大，受各种外部因素影响，围岩破坏相对更加明显，但由于底板巷支护采用的锚杆锚索数量较多，有效地抑制了围岩变形，因此该支护方案效果较好。而机巷由于断面尺寸比风巷稍大，在相同的支护方式下，围岩变形量也随之增加。

②鄰近巷道对帮部围岩位移量无明显影响，左右两帮位移量相对接近，相较于单一巷道而言，整体位移量要大于单一巷道围岩位移量，对于单一巷道底板巷围岩位移峰值最大为55 mm，而风巷左右两帮位移量相对较大，右帮峰值最大为120 mm，左帮峰值为111 mm，机巷帮部位移量相对较小，左帮位移峰值为102 mm，右帮位移峰值为90 mm。可以看出，位于8煤层中的风巷左右两帮围岩位移量最大，这是由于其受邻近巷道和7煤正下方的底板巷影响。因此在后期补强支护中应考虑加强风巷的补强支护。

③顶板围岩变形量最大的为8煤层中的风巷，最大下沉量为83 mm，其次为机巷，最大下沉量为74.8 mm，7煤层中的底板巷顶板下沉量最小，最大下沉量为36.8 mm。风巷下方受7煤掘进开采影响，加上地应力作用，相较机巷而言顶板下沉量较大，其中围岩变形最为稳定的是底板巷。由于底板巷为拱形巷道，其自身承载能力在形状上优于风巷和机巷这种矩形断面，且底板巷的支护结构也优于风巷和机巷，因此底板巷支护效果尤为明显。

3.4 不同巷道塑性区对比分析

三条巷道围岩塑性区分布如图5所示。

由图5可以看出7煤巷道断面形状为拱形，承压能力较好；8煤风巷和机巷塑性区范围较大；整体来看帮部塑性区范围大于顶、底板塑性区。

4 矿压监测

巷道掘进后，大约25 d后趋于稳定，风巷顶板变形量为80～90 mm；底板变形不大，大约为33 mm；两帮的变形量为201 mm；机巷顶板变形量为600～700 mm；底板变形不大，大约为40 mm；两帮的变形量大约为190 mm；底板巷顶板变形量为35～40 mm；底板变形不大，大约为34 mm；两帮的变形量大约为192 mm；没有发现不良现象。

5 结论

由上述数值模拟分析可以得出以下结论。

①对比三条试验巷道的水平应力可知，由于风巷受到7煤底板巷的影响，水平应力相比于机巷较大，底板巷和风巷相互影响，因此底板巷的水平应力较机巷略大。

②对比三条试验巷道的垂直应力可知，7煤层底板巷与8煤风巷右帮应力增大区域相贯通，侧帮岩柱整体处于较大垂直应力中，且7煤底板巷由于和8煤风巷位于同一垂直方向上，受采动和地应力影响，底板巷所受垂直应力较大，帮部垂直应力较为集中，底板巷所受垂直应力相对较大，三条巷道垂直应力差异不明显。

③对比三条试验巷道的位移监测曲线，分析帮部和顶底板位移变化规律，整体上看变形量最小的是7煤层的底板巷，最大的是8煤风巷，变形量与巷道断面形状、尺寸、支护结构和邻近巷道的影响有着密不可分的联系。

④由上述分析可以看出，三条巷道整体支护效果良好，变形量在合理范围内，个别巷道受掘进、采动影响变形破坏较严重，应单独加强后期补强支护。该支护设计方案在本项目中已达到预期效果。

参考文献：

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