基于数值模拟方法对强动压下巷道变形分析

郭文举

(大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西 朔州 036000)

引 言

随着经济的蓬勃发展，资源的极大使用，对煤炭的依赖仍是经济发展的主要支柱。目前，煤炭的开发决定于巷道的安全使用，强动压的影响对巷道的使用威胁较为严重，急需解决。

韦四江等采用相似模拟实验验证了对穿锚索对采动影响下的群硐室支护设计的合理性[1]；张向东等采用耦合支护方法对采动影响下的大硐室进行了

现场试验，取得了理想效果[2]；尹光志等揭示了动压影响下巷道的蠕变规律[3]。对于强动压下巷道的支护已经取得了丰硕成果，但是对于巷道的补强支护研究较少，本文采用数值模拟的方法对5111巷道大变形破坏进行模拟分析，并对巷道补强支护距离进行模拟，得出该地质条件下补强支护距离应不小于30 m。

1 工程概况

1.1 岩体地质情况(见表1)

表1 5111巷道岩体性质

2 巷道支护

2.1 大变形前支护

5111巷设计长度1 420 m，现已掘进1 420 m，采用锚+索+网+带联合支护。采用Φ20 mm×2 200 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距0.9 m，排距1.0 m，锚索采用Φ17.8 mm×6 000 mm 1860级低松弛钢绞线，采用“二一二”布置，间排距均为2.0 m。

2.2 变形后补强支护

5111巷因巷道有压力需要补强支护，根据现场勘测研究决定：

1) 370 m～490 m、540 m～600 m、800 m～840 m段施工角锚索和帮锚杆间距均为2 m，两帮均施工。

2) 600 m～640 m在靠近09的一侧施工角锚索和角锚杆间距均为1 m。

3) 角锚索规格：Φ17.8 mm×8 000 mm，托盘350 mm×350 mm×10 mm；帮锚索规格：Φ17.8 mm×6 000 mm，托盘350 mm×350 mm×10 mm；锚索锚固长度为1 500 mm，树脂使用MSCK2330 1支，MSCK2360 2支。

3 巷道变形监测

巷道掘进完成后，围岩比较稳定，随着相邻采区的开采，巷道出现了大变形状况，如图1所示。巷道底板隆起比较严重，巷道帮部和顶部煤体发生了严重破碎，导致巷道的持续性变形。为了能够维持巷道的继续使用，采用了补强支护，但是未能达到预期效果。通过数显收敛计对巷道的变形进行持续观测，记录其具体变形数据。

图1 现场巷道变形

4 数值模型建立

根据现场变形情况分析，巷道大变形主要集中在400 m～800 m，故本文取巷道400 m～800 m进行开采分析。本文采用大型数值模拟软件FLAC3D对采动影响下巷道围岩变形进行模拟[4-6]，采用莫尔-库伦屈服准则，应用位移边界条件约束模型边界。通过现场位移监测数据，采用位移反分析方法获得岩体力学参数。建立400 m×400 m×40 m的模型，如图2所示。为了更加详细地体现巷道在动压下的应力和应变，对巷道处网格进行了加密处理。

图2 数值模型图

5 模拟分析

5.1 模拟过程

为了能够与实际更加符合，模拟过程与实际施工顺序一致，先对5111巷进行掘进模拟，然后对煤层进行开采模拟，对巷道产生的影响进行分析，为了分析巷道破坏原因，我们采用了3种支护形式进行对比分析：

1) 采用巷道支护的原先形式，等开采产生部分变形后再进行补强支护。

2) 巷道掘进时就将原先支护和补强支护运用在巷道上。

3) 在采煤断面与巷道加强支护断面距离分别为26 m、28 m 、30 m和32 m的补强支护。

5.2 模拟结果分析

通过数值模拟结果可以得出，原先支护和补强支护同时进行能够完全在动压下维持巷道的稳定，未出现巷道大变形，能够正常维持巷道的运营，从模拟后的应力状态可以看出，巷道顶板和底板的应力比两帮的压力要小。这是由于，巷道除受到原岩应力作用，还受到巷道挤压应力的作用。所以，在受强动压影响下的巷道要对帮部进行特殊支护，可以在巷道角部喷射混凝土来确保应力集中部分不发生破坏。

通过对采煤断面与巷道补强支护断面距离的数值模拟对600 m处巷道变形进行检测，对检测数据进行提取绘制，如图3所示。图3中显示，26 m、28 m都不能满足现场继续使用的要求，30 m、32 m都能满足现场对巷道继续使用的要求。

图3 数值模拟数据

6 5111巷道在强动压下发生破坏原因分析

6.1 前期支护强度不够

由于巷道前期支护不能满足基本的理论支护，导致在煤层开采过程中应力增加到3倍～5倍，导致巷道原岩破碎区向塑性区不断扩大，而塑性区逐渐向弹性区扩张，引起巷道四周快速向巷道中心靠拢。

6.2 后期补强支护不及时

巷道出现较大变形时未能及时对巷道进行强支护，导致后期补强支护的锚杆处于岩体破碎区，不能起到原有的组合拱作用。同时，由于采区的持续性开采，对于原来强度不足的情况更加严重，出现后期巷道无法继续使用。

7 结论

1) 5111巷道发生破坏的主要原因是设计不合理，前期支护强度不足，后期在强动压的影响下又不能够进行及时的补强支护。

2) 受多次影响的巷道应及时进行检测，确保在发生较大变形时能够及时对巷道进行补强支护。

3) 通过数值模拟分析，采煤区与巷道补强支护断面截距应不小于30 m。