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B090104 大跨度巷道锚、梁、网、索耦合支护及数值模拟分析

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1、大跨度巷道锚、梁、网、索耦合支护及数值模拟分析徐顺利王建刚【黄陵矿业集团有限责任公司，陕西黄陵 727307】摘要黄陵二号煤矿运顺工作面为大断面巷道，通过用有限元软件对巷道支护效果进行了系统的数值模拟分析，同时对巷道变形进行详细观测，在保证了巷道支护效果的同时，取得了较好的经济效益，为解决大跨度巷道支护提供了新的途径。关键词巷道支护有限元数值模拟-前言煤矿巷道支护，特别是大跨度巷道支护技术仍是目前亟待解决的一个关键问题1。近年来，锚杆支护技术日趋成熟，但仍旧不能较好解决大跨度、大断面、三软煤巷等困难巷道支护加固问题2。在黄陵二号煤矿大跨度巷道支护中，我们开展了联合支护试验研究，合理确定支护方式及支护参数，通过对巷道支护效果进行数值模拟和变形监测，优化了设计参数，实现了初步设计与工程监测相结合的动态设计，推动了巷道支护技术的发展。1 水文地质条件矿区主采煤层为2煤，属侏罗系中统延安组。煤层结构复杂，含12层矸石层，局部34层，夹矸岩性为泥岩，局部为粉砂岩、细砂岩。煤层顶板以粉砂岩、细砂岩为主，厚度0.4227.88m，局部泥岩或砂质泥岩。煤层底板几乎全部为泥岩、砂质泥岩、

2、炭质泥岩，厚度0.55.15m。巷道埋深约450m，采区地质特性如图1所示。图1 采区地质柱状图2 巷道设计及支护参数2.1 巷道断面设计根据巷道用途及满足安装设备要求，巷道断面规格设计为矩形断面，断面宽4.6m，高2.6m。巷道掘进形式为挖底掘进。2.2 围岩松动圈范围确定由围岩参数可知，煤层普氏系数为1.8左右。由压力拱理论的适用条件可判断在此巷道的上方不能够形成自然压力拱，因此我们不采用普氏免压拱高计算围岩松动圈范围，而是采用弹塑性理论来计算3。巷道宽B=4.6m，高h=2.6m。等效园半径：则巷道内部最大塑性圈半径R0为：故巷道顶部松动圈范围为：巷道帮部松动圈范围为：根据黄陵二号煤矿类似巷道的设计经验，煤岩的松动圈范围大约在1.51.8m，因此，本次设计中取围岩松动圈范围为顶部1.97m，帮部1.6m。2.3 支护材料及参数选择根据围岩条件应用松动圈理论进行分析，并通过工程类比法和数值分析，最终确定采用锚、网+锚索联合支护，支护方式如图2所示。支护参数如下：（1）顶板支护参数锚杆为直径20mm、长2000mm的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，杆尾螺纹为M22。锚杆间排距为800800（

3、mm），每排6根锚杆。锚索为直径15.24mm、长6000mm的钢绞线，锚索外露长度250mm。锚索的间排距为1.22.4（m），每排2根锚索。锚索托梁采用长500mm的16#槽钢，托梁孔径为16mm。（2）巷帮支护参数锚杆为直径16mm、长2000mm的圆钢锚杆，杆尾螺纹为M18。锚杆间排距为1000800（mm），每排2根锚杆。钢筋托梁由直径14mm的钢筋焊结而成，宽度50mm，长度1.2m。图2 巷道支护设计图（单位：mm）3 巷道支护效果数值模拟分析有限元法是广泛应用于地下岩体工程稳定性研究的有力工具。利用通用有限元软件ANSYS的非线性数值分析程序对黄陵二号煤矿锚杆支护巷道围岩应力场、位移场分布进行了数值模拟分析。根据本工程实际情况，主要关注的是开挖巷道的稳定性问题。巷道的开挖仅对距巷道中心点35倍范围内有影响，因此模型宽44.5m，高35.21m。模型范围内围岩主要为粉砂岩、细粒砂岩、煤等，模型按实际围岩分布建立。岩体初始地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。它是引起采矿及其他岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是进行围岩稳定分析、实现岩石开挖设计和决策科学化的必

4、要前提。在本次分析中，以-450m处的应力值为初始应力，其余边界加约束求解，计算出的初始应力值在第一荷载步施加到模型上。部分数值模拟结果如图36所示：图3 矩形断面锚杆支护最大主应变图图4 矩形断面锚杆支护最小主应变图图5 矩形断面锚杆支护最大主应力图图6 矩形断面锚杆支护最小主应力图经模拟计算：矩形运顺断面开挖不支护时，分步加载变形累积至250mm时，程序不收敛，说明变形过大，围岩已失稳；采用锚杆（索）支护，矩形运顺断面沉降40120mm，最大主应力33.5MPa，最小主应力13.7MPa，最大主应变0.037，最小主应变0.054。巷道顶部应力集中系数1.263.17。4 掘进过程中支护效果观测4.1巷道围岩变形观测采用三角形布点法安设表面位移监测断面，测点布置在距迎头2m处。采用JSS30A型数显收敛计进行观测。每20m一组，测点布置在锚杆端头，测点的锚杆端头焊接圆环。观测频度为：距掘进工作面50m以内，及回采工作面50m以内，每天观测一次，掘进工作面50m以外，1次/2天；或按位移速度作为基准量测。4.2 观测结果分析结果显示：在距工作面50m内，巷道变形相对明显，距工作面5

5、0m以外，变形相对稳定。工作面开挖后7天内变形速率最大，以后渐渐趋于稳定。巷道最大变形速率27.84mm/d，平均变形速率 1.8mm/d；巷道顶板最大下沉量 90.89mm，两帮最大位移量72.49mm，都在设计允许范围内。经分析处理得出巷道典型监测断面变形曲线如图6、图7所示。图6 巷道顶板下沉变形速率曲线图7 巷道围岩变形曲线从图中可看出净空收敛变形经历明显三个阶段：在测点距迎头02天范围内时，变形速率较大，但持续时间短，为加速变形阶段，变形量占总变形量的40左右；在测点距迎头25天范围内，变形速率减缓，此阶段为缓慢变形阶段，占总变形量的45左右；在测点距迎头5天后，变形曲线开始收敛，为基本稳定阶段，变形量占总变形量的15左右。5 结语通过数值模拟结果和现场监测数据表明，采用锚、梁、网、索耦合支护技术进行巷道支护，施工工艺简单，劳动强度低，降低了生产费用，减少了劳动用工，解决了巷道及开切眼片帮、冒顶等重大安全问题，达到了安全、高效、低耗生产的目的。矿山大跨度巷道支护技术研究依旧面临诸多难点。在今后的工作中，应加强对锚、梁、网、索耦合支护机理的研究，设计更为完善的监测体系，进一步提高数值模拟研究的可靠性，建立更加合理有效的巷道支护设计体系。参考文献1 何满潮，孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南.北京：科学出版社，2004.2 薛顺勋，等.软岩巷道支护技术指南.北京:煤炭工业出版社，2002.3 何满潮，袁和生等.中国煤矿锚杆支护理论与实践，北京：科学出版社，2004.第一作者简介徐顺利男，1963年出生，陕西泾阳人，2000年毕业于西安科技学院采矿工程系。现任黄陵矿业集团有限责任公司生产技术处处长，采矿工程师。（收稿日期：2008-02-01；责任编辑：黄翔）

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