FLAC3D数值分析方法在锚固方案优选中的应用

李启龙

(中北煤化工有限公司色连二矿)

FLAC3D数值分析方法在锚固方案优选中的应用

李启龙

(中北煤化工有限公司色连二矿)

采用数值分析软件计算地下工程结构的应力应变情况，分析结构稳定性的方法已得到广泛应用。采用FLAC3D数值分析软件对色连二矿12205顺槽各锚固方案进行数值分析，得到各锚固方案巷道位移变形参数，可以直观、快速、高效、经济地选择最优方案，确保达到最佳锚固效果。

FLAC3D数值分析 锚固 优选

矿井煤层巷道掘进过程中，支护设计是关系到煤巷安全高效生产的重要保证。目前煤巷锚杆支护设计方法基本上可归结为3类[1]：第一类是工程类比法，包括应用简单的公式进行计算，常用的有以回采巷道围岩稳定性分类为基础的设计法及以围岩松动圈分类的设计法；第二类是理论计算法，有悬吊理论、冒落拱理论、组合拱理论等；第三类是借助数值模拟进行锚杆支护设计，随着计算机的广泛应用，利用数值模拟计算地下岩石工程结构的应力、应变，分析结构稳定性的方法已得到广泛应用。为了确定色连二矿12205回风顺槽最优锚固方案，采用FLAC3D有限差分软件对12205顺槽各锚固方案进行数值分析[2]。

1 地质概况

色连二矿位于内蒙古鄂尔多斯市东胜区境内，12205工作面位于矿井一水平二盘区，工作面2-2中煤层厚度变化较大，东部煤厚一般在1.7～2.1 m；中部煤层变薄，最薄处为0.9 m；西部靠近切眼处煤层较厚，最厚处为4.65 m。2-2中煤层为黑色，以暗煤、丝炭为主，外生裂隙发育，块状结构，局部含一层0.2 m泥岩夹矸；直接顶为细砂岩，平均厚1.5 m，老顶为粉砂岩，平均厚6.8 m；直接底为细砂岩，平均厚14 m；老底为中砂岩，平均厚8 m。2-2中煤层为近水平煤层，地质条件较为简单。

2 锚固技术难点

(1)虽然2-2煤层硬度大，但煤层内生裂隙，特别是纵向裂隙发育，煤层常呈块状片帮，从而造成巷道成型差。

(2)2-2中煤层顶板细砂岩的抗压强度一般为7.2 MPa，抗拉强度为0.21 MPa，岩石强度低、砂化严重，不仅易离层、风化破碎，而且也加剧了顶板岩层的不稳定性。

(3)当顶板有裂隙、构造或锚索孔通达砂岩层时，顶板淋水，不仅影响锚索的内锚效果，而且还会造成顶板砂质泥岩、泥岩膨胀和强度弱化，同时顶板淋水还会使锚杆和锚索发生锈蚀，降低锚杆和锚索的承载力。

(4)巷道断面大，服务时间长，因此，对巷道围岩的长期稳定性要求较高。

3 锚固对策

(1)优化顺槽巷道断面形状，将顺槽巷道断面由矩形调整为平顶微拱形。矩形巷道的拐角处是应力集中点，将巷道断面调整为平顶微拱形，不仅可改善巷道围岩的受力状况，而且还可避免肩窝锚杆出现剪切现象。

(2)顶、帮锚杆采用组合整体支护结构。将顶、帮锚杆通过W钢带和梯子梁搭接布置形成一整体结构，不仅可提高顶板肩窝抹角处围岩的稳定性，而且还有利于控制巷道断面。

(3)提高锚杆的初始预紧力，防止顶板低位岩层出现早期离层。因为顶板离层都是由浅部向深部发展的，提高锚杆的初始预紧力，不仅可以消除岩层内原始的裂缝空隙，使各个岩层锁紧为一个整体，而且高预紧力通过钢带、托板扩散，可有效提高锚固体的整体刚度，从而有利于防止顶板低位岩层出现早期离层，避免高位岩层出现离层。

(4)提高巷道的初始支护强度，实现一次支护有效化。巷道围岩揭露后就进行锚索网支护效果最佳，若在已发生离层破坏的围岩中补打锚杆和锚索，其支护效果将会大幅度降低。

(5)采取顶板沿煤帮整体跨落防治措施。改进顶板锚索的布置方式，使顶板支护结构体形成类似于桁架的斜拉结构，可避免顶板沿煤帮整体跨落。

(6)采用锚索锚固力增强技术。一般来说，若钻孔直径、锚索直径及药卷直径符合“三径”匹配要求，其锚固力是能够满足要求的，如果锚索直径与钻孔直径差值大于10 mm，则搅拌时有可能造成锚固剂密实度不够，从而影响药卷对锚索的握裹力及药卷与孔壁的粘结力。为了提高φ17.8 mm锚索的锚固力，可在锚索锚固端设置一个橡胶挡环。橡胶挡环规格：内径为17.4 mm，外径为25 mm，长50～60 mm，挡环安设在距锚索内锚端头1 400 mm。

4 12205顺槽锚固方案数值分析

4.1 数值模型的建立

选取12205回风顺槽揭露的砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩以及煤层作为建模对象。其中12205回风顺槽为实体煤巷道，12205主运顺槽与辅运顺槽(12206回风顺槽)之间煤柱宽度为20 m，三维数值计算模型尺寸为405 m×100 m×100 m(长×宽×高)，共划分21 600个单元，25 389个结点。在建立过程中，对巷道周边区域网格进行加密划分，为了保证数值计算的准确程度，尽量减小整个模型网格尺寸差异，差异越大，编码就越无效[3]。数值模拟计算采用Mohr-Coulomb plasticity model本构模型，大应变变形模式，模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移动，按上覆岩层厚度施加均布荷载，垂直应力为8 MPa，材料破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则[4]。图1为12205各顺槽位置关系示意，图2为三维数值计算模型。

图1 12205各顺槽位置关系示意

图2 三维数值计算模型

4.2 锚固模拟方案

巷道断面为5 m×2.8 m，模拟不同支护参数下12205回风顺槽掘进过程中巷道围岩应力和位移，模拟方案如下[5]：

工况一:矩形巷道，掘进期间顶板布置6根锚杆，规格为φ20 mm×2 500 mm，间距为900 mm,顶板两侧锚杆带10°施工，巷帮布置4根锚杆，规格为φ18 mm×2 000 mm,间距为750 mm。巷道顶板和帮部钢带排距为900 mm。顶板锚索采用“3-0-0-3”布置，规格为φ17.8 mm×7 300 mm，锚索间排距为1 300 mm×1 800 mm。

工况二：矩形巷道，巷道顶板和帮部钢带排距为1 000 mm，顶板锚索采用“3-0-0-3”布置，锚索间排距为1 300 mm×2 000 mm，其他支护参数同工况一。

工况三：矩形巷道，巷道顶板和帮部钢带排距为1 000 mm，顶板锚索采用“4-0-0-4”布置，两端锚索按80°扎角施工，锚索间排距为1 300 mm×2 000 mm，其他支护参数同工况一。

工况四：矩形巷道，巷道顶板和帮部钢带排距为900 mm，顶板锚索采用“4-0-0-4”布置，两端锚索按80°扎角施工，锚索间排距为1300 mm×2 700 mm，其他支护参数同工况一。

工况五：平顶微拱形巷道，掘进期间顶板布置6根锚杆，锚杆排距为1 000 mm；顶板两侧肩窝锚杆不仅垂直园弧，而且同时穿过顶板钢带和巷帮梯子梁，顶板锚索采用“3-0-0-3”布置，锚索间排距为1 300 mm×2 000 mm，其他支护参数同工况一。

4.3 数值模拟计算结果分析

4.3.1 应力分析

图3为5种工况下巷道围岩的应力云图。可以看出：巷道开挖导致巷道浅部围岩卸压，使巷道浅部围岩中存在一个应力降低区，由于巷道底板没有采取加固措施，因此底板中应力降低区范围较顶板和两帮范围大。同时巷道的开挖改变了原岩应力分布，在巷道周边形成应力集中区[6]。由于支护参数的不同，各工况应力峰值也有所不同，工况一中垂直应力峰值为11.5 MPa，水平应力峰值为9.73 MPa，垂直应力峰值出现在距巷道边缘3.3 m位置处；工况二中垂直应力峰值为12.33 MPa，水平应力峰值为10.06 MPa，垂直应力峰值出现在距巷道边缘3.5 m 位置处；工况三中垂直应力峰值为10.99 MPa，水平应力峰值为9.82 MPa，垂直应力峰值出现在距巷道边缘3.1 m位置处；工况四中垂直应力峰值为13.04 MPa，水平应力峰值为10.21 MPa，垂直应力峰值出现在距巷道边缘3.9 m位置处；工况五中垂直应力峰值为10.95 MPa，水平应力峰值为10.15 MPa，垂直应力峰值出现在距巷道边缘3.9 m位置处。工况四中巷道围岩应力集中程度最高，围岩塑性区域分布最广；工况五中巷道断面为微拱形，有效改善了围岩的应力环境，围岩集中程度相对较低，工况五中的巷道支护方案能够更好地改善围岩应力环境。

图3 不同工况下巷道围岩应力变化情况

4.3.2 位移分析

图4为5种工况下巷道围岩位移云图。可以看出：工况一中巷道顶板最大下沉值为48 mm，底板最大底鼓量为153 mm，左帮最大位移值为118 mm，右帮最大位移为119 mm；工况二中巷道顶板最大下沉值为62 mm，底板最大底鼓量为225 mm，左帮最大位移值为150 mm，右帮最大位移为151 mm；工况三中巷道顶板最大下沉值为42 mm，底板最大底鼓量为137 mm，左帮最大位移值为110 mm，右帮最大位移为112 mm；工况四中巷道顶板最大下沉值为71 mm，底板最大底鼓量为323 mm，左帮最大位移值为209 mm，右帮最大位移为210 mm；工况五中巷道顶板最大下沉值为40 mm，底板最大底鼓量为126 mm，左帮最大位移值为98 mm，右帮最大位移为107 mm。根据各锚固方案数值分析结果，可知工况五位移变形最小，支护效果最佳，工况三次之。

5 结 语

现今FLAC3D数值模拟软件在分析结构稳定性、位移、应力应变方面已得到广泛应用，通过FLAC3D数值模拟软件在色连二矿12205顺槽各锚固方案的应用，可以直观得到在各锚固方案下巷道位移变形参数，与传统的选择锚固方案相比，可以快速、经济地选择最优锚固方案，确保达到最佳锚固效果，提高决策水平。

[1] 刘 波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 漆泰岳.锚杆与围岩相互作用的数值模拟[M].徐州：中国矿业大学出版社，2002.

[3] 闫莫明.岩土锚固技术手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 樊俊豪，刘 闯，崔玉贤，等.深部巷道围岩锚网耦合支护技术[J].煤矿安全，2013(2)：83-85.

[5] 孙晓明,何满潮.深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2005(2)：166-169.

[6] 高富强.基于FLAC的煤巷锚杆支护设计系统开发与应用[J].煤炭工程，2007(8)：104-106.

图4 不同工况下巷道围岩位移变化情况

2014-04-04)

李启龙(1982—)，男，工程师，017008 内蒙古鄂尔多斯市。