基于FLAC3D的煤巷支护方案优化及应用

王茂源 薛华俊 白晓生 梁圣华

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083）

基于FLAC3D的煤巷支护方案优化及应用

王茂源 薛华俊 白晓生 梁圣华

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083）

以淮南矿业集团朱集矿1112（1）工作面轨道巷支护为背景，运用FLAC3D对煤巷锚杆支护进行模拟分析，提出多种支护方案。比较各种支护方案下巷道的顶板沉降、底臌及两帮位移量，综合考虑安全、支护成本、掘进进度等因素，得出一套符合煤矿生产实际的优化支护方案。

巷道支护 FLAC3D 数值模拟 方案优化

1 工程概况

淮南朱集矿是淮南矿业集团的第一个千米矿井，1112（1）工作面轨道巷位于东1采区，设计标高为－927.341～－938.181m，属深埋巷道。

掘进区段位于二叠系上统上石盒子组第三含煤段，开口距13－1煤层底板下67.5m，并揭开11－2煤层。主要岩性为泥岩、细砂岩，11－2煤层顶底板的泥岩中，发育大量的植物化石碎片，11－2煤层顶板厚层泥岩及砂岩交界面，发育有多层厚度0～0.3m不稳定的煤线。煤的坚固性系数f＝0.43～0.87，掘进区段除煤层外无明显标志层。

该区段主要充水因素为煤层顶（底）板砂岩裂隙水。11－2煤层顶板发育多层砂岩，厚度一般在1.0～2.0m，老顶砂岩累厚6.6m；底板砂岩较发育，厚度一般在2.6～6.1m，砂岩总厚度可达13.4m，根据周边井田对该含水层水文调查，巷道涌（突）水量为0～74.0m3／h，一般为0.5～4.5m3／h。

井田总体构造形态为背斜，北部为朱集～唐集背斜，其南翼与潘集背斜北翼构成较宽缓向斜，沿轴向有所起伏。掘进区段位于朱集～唐集背斜的南翼，总体为一宽缓的次生背斜，轴向走向大致为NNE向，煤（岩）层产状210～220°，倾角2～5°。

2 模型建立及模拟支护方案

2.1 数值计算模型基本假设

为了方便研究，本文对模型做了简化。将岩体看作是均质和各向同性的介质；岩体的节理、裂隙和软弱结构面等在空间分布上具有随机性和不确定性，建模过程中忽略了结构弱面及温度等因素的影响，而用弱化相应的岩体参数代替；由于矿山开采是一个动态变化的过程，所以时间也是影响岩体应力变化的因素之一，而本文在模拟过程中则忽略了时间因素的影响；开挖过程对巷道的稳定性影响是一个动态的过程，而本文对采矿过程进行了一次开挖简化处理。

2.2 本构模型和材料参数的选取

模型材料围岩物理力学参数见表1。

表1 巷道围岩物理力学参数

2.3 边界条件和初始条件

根据矿区开采引起的岩层移动规律和岩层移动角及对围岩活动的认识，建立模型。模型模拟范围为50m×50m×45m，巷道开挖断面宽5m、高3 m，为了尽可能反映出巷道岩层的力学特征采用摩尔—库伦本构模型，网格按岩层分区划分，三维结构模型单元55325个，节点60464个。对模型两侧进行x方向位移约束，对模型底部进行x、y、z方向位移约束，模型前后面进行y方向位移约束。模型上部边界应力施加相应埋深的垂直荷载，x方向施加相应的水平荷载，模型变形设置为大变形。

2.4 模拟方案

表2 三因素三水平正交试验表

以朱集煤矿实测的岩层力学资料和原支护结构参数为基础，考虑现场具体施工条件，根据工程类比法及现场经验，通过改变顶板、两帮锚杆间距及锚索间距，从顶板、底板以及两帮的围岩变形情况来研究各个因素对控制巷道围岩变形的作用。为了减少模拟次数，利用正交试验法建立了9种模拟方案。试验考虑的影响因素主要包括帮部与顶板锚杆数量、顶板锚索数量，每个影响因素分3个级别。通过查阅《常用正交试验表》可得三因素三水平正交试验表如表2所示。

3 数值模拟结果及分析

3.1 方案模拟结果

按照正交试验表进行试验共有9种试验结果。由于篇幅所限，本文只分析试验中具有比较典型的第1方案、第2方案、第5方案和第9方案。

在不同的工程地质条件和开采条件下，锚杆支护参数对巷道支护效果的影响程度是不一样的，巷道锚杆支护参数是否合理，最终依赖于锚杆的支护效果，其直接表现是巷道表面位移。因此，可以选择巷道围岩移近量作为数值模拟优化锚杆支护参数试验的考察目标。

运用FLAC3D对未支护、方案1、方案2、方案5、方案9进行数值模拟，可得各情况下巷道顶板的下沉量分别为341mm、127mm、69mm、48 mm和45mm；底板位移分别为139mm、103 mm、59mm、37mm和34mm；两帮移进量分别为59mm、51mm、35mm、18mm和16mm。

将对不同方案模拟的数据绘制成曲线如图1～图3所示。

图1 不同支护方案下的顶板沉降量

3.2 基于FLAC3D的方案模拟结果

（1）当巷道不进行任何支护时，顶板下沉量、巷道底鼓量和两帮移近量都很大，分别达到了341mm、139mm和59mm，巷道变形破坏严重。因此，必须采取合理有效的支护与加固措施，才能保证巷道的稳定。

（2）对巷道采取初步支护方案1后，巷道的顶板下沉、底鼓和两帮移近变形都得到一定控制，但巷道变形仍然很大，方案1的支护强度不够。

（3）方案2增加锚索后，巷道的顶板位移、底板位移、两帮位移比方案1分别减少了58mm、44mm、16mm，说明锚杆锚索联合支护可以明显改善支护效果。

（4）方案5增大锚杆密度后，巷道的顶板位移、底板位移、两帮位移比方案2分别减少了21mm、22mm、17mm，说明增大支护强度可以减少巷道变形。

（5）方案9继续增加锚杆密度后，顶板位移、底板位移、两帮位移比方案5仅仅分别减少了3mm、3mm、2mm，对巷道围岩变形控制的改善不是很明显。

从节约巷道支护成本、提高巷道掘进速度以及保证巷道安全生产的角度考虑，支护方案5比较合适，而这也与该巷道最终的实际支护方案相符。最终该巷道采用锚梁网＋锚索的支护方案，顶板用ø22mm×2800mm的左旋无纵筋超高强锚杆，间距750mm，排距700mm，两帮用ø22mm×2500 mm的高强锚杆，间距为700mm，排距700mm，锚索规格为ø22mm×6300mm，间距为1000 mm，排距700mm。具体现场施工中1112（1）工作面轨道巷支护断面图如图4所示。

图4 1112（1）工作面轨道巷支护断面图

为分析支护后巷道变形情况，用十字测量法进行巷道断面变形观测。经过20d，变形基本稳定后观测数据显示，该巷道顶板沉降量为67mm，底臌为43mm，两帮移进量为27mm，与模拟值相比变形量偏大，但巷道断面总体变形不大，支护效果良好。

4 结论

（1）锚杆锚索的联合支护比起只用锚杆支护可以更加有效地控制巷道围岩变形。

（2）支护达到一定强度以后再增加支护强度对对巷道围岩变形控制的改善不再很有效，要综合考虑安全、支护成本、巷道掘进速度等因素提出切实适合该巷道的支护方案。

［1］ 杨昌斌，张胜云，徐江波.FLAC3D在隧道初期支护与原岩条件的“耦合”问题的应用［J］.煤田地质与勘探，2004（5）

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［3］ 林岱，杨溢，王从行.基于FLAC3D数值模拟一次采动巷道地压显现及围岩破坏［J］.科学技术与工程，2011（15）

［4］ 谢文兵，陈晓祥.采矿工程问题数值模拟研究与分析［M］.徐州，中国矿业大学出版社，2005

［5］ 张勇，张江利，张西斌等.半煤岩巷道围岩变形破坏分析及支护技术研究［J］.中国煤炭，2012（5）

Optimization and application of roadway support program based on FLAC3D

Wang Maoyuan，Xue Huajun，Bai Xiaosheng，Liang Shenghua
（School of Mechanics，Architecture and Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Taking the track roadway support in 1112（1）working face of Zhuji Mine of Huainan Mining Industry Group as the background，using FLAC3D，this paper has conducted a simulation analysis on roadway bolting support，and put forward a variety of support schemes.After comparing roadway roof subsidence，floor heave and two sides displacement in different schemes，and considering the safety，supporting cost，excavation progress and other factors，the paper has derived a set of optimal support scheme according with the actual condition of coal production.

roadway support，Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3－dimentions，numerical simulation，scheme optimization

TD353

A

王茂源（1989－），男，安徽淮南人，硕士研究生，从事巷道支护专家系统方面研究。

（责任编辑 张毅玲）