淮北袁店二矿101运输巷围岩表面变形数值分析

金燕燕 （安徽城市管理职业学院，安徽 合肥 230601）

1 工程概况

淮北袁店二矿位于安徽省濉溪县与涡阳县的交界处，行政区划属于涡阳县和濉溪县。101 运输巷道位于煤矿的中部，埋深H=-550m、设计原岩应力P0=12MPa、采动影响因子2.5，巷道围岩物理力学参数见表1，控制允许变形值100mm。开挖巷道断面直墙半圆拱形式，矩形尺寸6000mm×1200mm，拱半径3000mm。采用锚杆（索）支护方案，支护材料性能参数见表2。

表1 巷道围岩物理力学参数

表2 支护材料性能参数

2 数值模拟分析概述

2.1 建立模型

一般在ANSYS 数值模拟软件中有实体模型和有限元模型两种，其中由点、线、面和体组合而成的称为实体模型，有限元模型仅包含节点和单元。本项目是先建立实体模型，再利用软件中的网格划分菜单将其划分为有限元模型。

2.2 网格划分

ANSYS 属于有限元分析软件，有限元分析的基础是单元。因此，将上述实体模型利用网格划分工具划分为节点及单元是必不可少的步骤。淮北袁店二矿101 运输模拟巷道模型对围岩外边界划分单位边长为0.5mm，巷道边界划分单位边长为0.1mm，总共划分7536 个单元。

2.3.加载与求解

在ANSYS 有限元分析软件中所谓的荷载不单单是狭义的力，还有广义的力作为约束边界条件。淮北袁店二矿101 运输模拟巷道模型定义水平两方向与竖直向上的方向位移为零即为固定约束，竖直向下作用一个均布荷载即原岩应力。ANSYS 软件程序中求解联立方程的方法包括稀疏矩阵直接解法、直接解法、雅克比共轭等值法（JCG）、预条件共轭梯度法（PCG）、不完全乔类斯基共轭等值法（ICCG）、自动迭代法（ITER）。本文中的模型采用自动迭代法进行求解。

3 不同锚杆（索）支护参数数值分析

深部巷道围岩有松动圈及塑性圈，在此理论基础上控制深部软岩变形应采用锚喷支护形式，锚喷支护形式可以使添加的锚杆与围岩成为整体共同作用，且打入的锚杆长度要大于松动圈半径，要使围岩变形更小可以使锚杆大于塑性圈半径。一般巷道埋深越大，岩性越差，从而松动圈与塑性圈半径越大。如锚深不足，可以采用喷锚网喷复合支护形式，并与外部支护形成联合支护，使围岩维持稳定状态。

余伟健等[1]提出由主压缩拱和次压缩拱共同构成的叠加拱承载体力学模型，该力学模型主要是锚杆（索）配合主次压缩拱形成一种新的力传递系统，可将其称之为叠加拱结构。

3.1 数值分析锚杆支护参数变化

淮北袁店二矿101 运输巷道设计的允许变形值较小，考虑采动影响[2-5]，应适当采用锚杆支护措施。根据工程概况描述可知该巷道围岩为泥岩，原岩应力12MPa，巷道断面尺寸应用面积等效原理为R=3.014m。前文分析结果显示巷道围岩表面变形影响因素大小顺序依次为岩性→原岩应力→断面尺寸，且对比各影响因素极差大小，岩性远大于原岩应力及断面尺寸。因此首先选取岩性为泥岩的组合，综合大小及影响程度分析，淮北袁店二矿101 运输巷道开采条件最接近第12 组试验，初步设计巷道围岩变形较大应采取锚杆支护，且巷道顶部需配合锚索支护，主要起到悬吊作用。

①未支护（m=0）

巷道围岩在未添加任何支护时通过数值模拟分析，结合各项数据显示，巷道围岩在无任何支护措施的情况下围岩变形两帮靠近底部最大，变形值为0.4172m，远超围岩允许变形值。通过巷道围岩塑性圈半径分布图可以看出变形较大部位在巷道的两帮靠近底部及顶部，可以初步根据塑性圈半径设计锚杆长度。

②L=2800mm（m=5）

本组设计参数锚杆长度2400mm，间排距2800mm×2800mm。通过数值模拟分析，结合各项数据显示，巷道围岩变形竖直方向即顶部变形比较小，两帮变形量最大，为0.1947m，大于该巷道围岩允许变形。巷道底部塑性圈半径对比未支护条件下的塑性圈半径反而增大，说明锚杆添加的位置对围岩的变形控制有一定的影响。锚杆支护参数不能满足围岩的稳定性要求，应增加锚杆密度，且锚杆应尽快添加在围岩两帮靠近底部的位置。

③L=1400mm（m=9）

本组设计参数锚杆长度2400mm，间排距1400mm×1400mm。通过数值模拟分析，结合各项数据显示，巷道围岩变形竖直方向即顶部变形比较小，两帮变形量最大为0.1412m，略大于该巷道围岩允许变形。所以，运输巷道在该密度下的锚杆支护仍不能满足围岩的稳定性要求，应在此基础上增加锚杆密度。

④L=700mm(m=17)

本组设计参数锚杆长度2400mm，间排距700mm×700mm。通过数值模拟分析，结合各项数据显示，巷道围岩在锚杆密度增加后表面最大变形减少到0.0878m，在允许变形值以内，说明巷道在该间排距条件下满足要求。

3.2 最优支护参数设计

根据上节四组模拟分析结果，采用线性拟合分析方法确定淮北袁店二矿101 运输巷道在不同间排距的条件下围岩变形大小规律，最后根据具体公式得出围岩变形大小控制在100mm 时所需的间排距，即为最优设计参数。

数据分析。围岩表面最大变形U 随间排距L的变化见表3，数据较好拟合公式见式（1）。

表3 围岩表面变形U随锚杆数量m变化

拟合曲线见图1，且参数值分别为u0=0.0815、A=0.3350、t=4.8152。由曲线图可以看出，巷道围岩表面变形随着锚杆数量的增加而减小，且减小的速率越来越小，即锚杆初步增加到5 根时围岩表面变形减小较为显著，当锚杆增加到9 根后再继续添加锚杆数量，巷道围岩表面变形减小并不明显，可以推断锚杆增加到一定数量后再添加不会对围岩变形产生有利影响。因此可以根据曲线函数在定义允许变形量后得出最优支护参数，淮北袁店二矿101 运输巷道在允许变形为100mm时的锚杆参数：

图1 围岩变形随锚杆数量变化规律

式（2）解得结果m=13.9，取［m］=14根。

3.3 最优支护参数模拟分析

由上节分析计算得出淮北袁店二矿101 运输巷道在实际开采条件下控制巷道围岩稳定性的锚杆最优参数为14 根，巷道围岩帮部变形最大，锚杆添加时尽量两帮密集。结合工程实际经验，巷道在开采时会受采动影响，顶部围岩有下沉现象，可以适当添加一定数量锚索支护，起到“悬吊”作用的效果。本次巷道顶部设计3 根锚索，采用数值分析软件进行最终围岩变形验证，巷道断面最优支护参数示意及模拟模型如图2 所示。软件模拟巷道围岩表面变形数据显示，X方向变形图可以看出巷道在该设计最优参数条件下的最大变形为0.0966m，而围岩的允许变形为0.1000m。可见在允许值范围内，有巷道塑性圈可以直接看出围岩表面的塑性圈半径较小，只有巷道两帮底部稍大，在实际工程中应采取一些积极措施加大对局部的支护。

图2 巷道断面支护示意图

锚杆支护实质上是通过将锚杆按一定的方法打入岩层中，使结构物与岩体形成完整的支护结构，以达到抵抗围岩表面变形的目的。锚杆支护理论上相对于传统的支护形式属于主动支护，在实际应用中具有施工方便、施工效率高、成本较低及支护效果好等优点。在操作过程中，锚杆需预先张紧装入相应的钻孔中，以提高抵抗被加固岩体挠曲性和分层之间相对位移的能力。锚杆能够紧固在岩层中主要是靠其与岩层之间的摩擦力，因此，在事先加大锚杆预紧力后，可以加大锚杆与岩石之间的摩擦力，从而使锚杆与岩体更加紧固。

4 小结

淮北袁店二矿101 运输巷道围岩岩性较好，主要表现为泥岩性质，巷道在未采取任何支护措施时变形比较大，远远超出允许值。

巷道围岩表面变形量随支护反力的增大而减小，且满足一定的函数关系，淮北袁店二矿101 运输巷道根据数值分析模拟，计算出围岩变形控制在100mm时所需的断面单排锚杆数量为14根。

针对淮北袁店二矿101 运输巷道，为克服“冒顶”现象，在巷道顶部布置3根锚索起到悬吊作用。

采用最优方案进行模拟分析最大变形值为96.6mm 接近100.0mm，表明数值分析方法对设计工程实际巷道围岩锚杆支护最优方案具有一定的参考价值。