基于FLAC 3D数值模拟的煤矿掘进巷道优化支护设计

基于FLAC 3D数值模拟的煤矿掘进巷道优化支护设计

王蒙

淮沪煤电有限公司丁集煤矿  安徽淮南  232141

摘要：煤矿掘进巷道的顶板支护是煤巷安全管理的重点，如何合理优化支护设计，做好顶板安全管理是煤巷管理人员的工作重心。本文从笔者的工作实际出发，通过观察现场地质条件，制定优化支护设计技术措施，并优化支护设计方案，结合FLAC 3D数值模拟技术，设计出更为合理的支护方式。

关键词：FLAC 3D；数值模拟；支护设计

一、优化支护设计技术措施

依据某工作面地质力学评估与巷道围岩变形分析结果提出以下支护优化方向。

1、顶板采用预应力锚索全长锚固技术

由于顶板发生离层的位置主要在顶板软弱夹层，加上锚索预紧力大且延伸率低，使锚索受力高，易发生破断现象。

预应力锚索全长锚固技术，是在原中空注浆锚索的基础上进行了改进升级，它采用专用的无机复合锚固材料和高压注浆设备进行施工。锚索先在迎头进行树脂端锚[1]，不用封孔，张拉预紧施加预应力，滞后通过锚索的中空结构注入无机复合锚固材料，当孔口流出无机锚固剂时停止注浆实现锚索的全长锚固。采用该项支护技术的优点是顶板锚杆和锚索全部实现了全长锚固，锚杆、锚索同步承载，协调一致。

全长锚固锚索与端锚锚固锚索相比，提高了锚索的抗剪切能力和系统的刚性，消除了端锚锚索在非锚固段应力集中，将载荷进行了分散，也消除了锚索断裂弹出的现象。围岩变形控制效果好，可降低锚索的支护密度，提高施工速度。

2、巷帮底角下扎45°锚杆控制底鼓

底角锚杆的可起到三方面的作用：

（1）底角锚杆将限制底角处岩层向巷道内发生水平位移，随着底板的松动及变形，底板上的水平应力也将逐渐传递到底角锚杆上。这种情况下，底板岩石受的应力较无底角锚杆时会小很多，从而底板岩石不易发生破坏。

（2）施工底角锚杆有利于底板水平应力向底板深部转移，起到一定的卸压作用。施加45°的底角锚杆，底板岩层承担水平应力将降低，水平应力将向深部转移，也有利于底板的稳定。

（3）施加底角锚杆有利于巷帮的稳定。巷道的底角应力集中，设置底角锚杆，像一根两端固定的梁对上方的岩体起到约束位移变形的作用，降低了围岩体中的破坏应力[2]，从而保证整个巷道的稳定性。

二、优化支护设计方案

1、巷道顶板支护材料

顶板锚杆支护采用由无纵筋螺纹预应力高强锚杆、M5钢带和菱形金属网组成。金属网紧贴顶板沿巷道横向铺设，相邻两块金属网相互搭接，搭接宽度200mm，并用14#铁丝连网，搭接处用钢带压茬。钢带沿巷道横向铺设，每个钢带上安装7根锚杆。

（1）顶板锚杆

规格：φ22×2400 ；左旋无纵筋螺纹钢锚杆；

屈服强度≥400MPa，破断强度≥560MPa；延伸率≥15%。

（2）顶板预应力全长锚固锚索

规格：φ22×6300 ；

强度级别≥1860MPa，破断力≥400kN；延伸率≥3.5%。

（3）顶板锚杆用锚固剂：k2550一支、Z2880两支，抗压强度≥60MPa。

（4）顶板锚索用锚固剂：Z2880一支，抗压强度≥60MPa。

（5）预应力锚索全长锚固料（HS80）:1天抗压强度≥20MPa；3天抗压强度≥30MPa；28天抗压强度≥80MPa。

（6）M型钢带规格4800×5mm，屈服载荷≥200kN；菱形金属网采用10＃镀锌铁丝编制，规格为5200×1000mm，网孔规格50×50mm，金属网铁丝抗拉强度≥450MPa，伸长率≥12%；锚杆托盘形状要与M钢带配套，厚度不低于6mm。

（7）锚索托盘可采用300×300×16mm与150×150×16mm两块托盘叠加使用。

2、巷道两帮支护材料

（1）帮锚杆

规格：φ22×2400；左旋无纵筋螺纹钢锚杆；

屈服强度≥400MPa，破断强度≥560MPa；延伸率≥15%。

（2）帮锚杆用锚固剂：k2550 一支、Z2880一支，强度不低于60MPa。

（3）扁钢：2000×200×3mm，强度≥235MPa。帮锚杆托盘：150×150×8mm蝶形托盘，托板承载力不小于与之配套锚杆杆体屈服力标准值的1.3倍。

（4）菱形金属网采用10＃铁丝编制，规格为3500×1000mm（上帮）和3000×1000mm(下帮)，网孔规格50×50mm，金属网铁丝抗拉强度≥450MPa，伸长率≥12%。

3、锚杆/锚索布置

顶板锚杆布置间排距750×800mm，肩窝锚杆安设角度与垂线成10°，其它锚杆与岩面垂直。钻孔直径φ32mm，孔深2320，误差0~30mm。采用一节k2550快速树脂药卷和两节Z2880中速树脂药卷。预紧力矩不低于150N·m，锚固力不低于120kN[3]。

锚索间排距1500×800mm，方向与岩面垂直，按“3-3-3”布置。钻孔直径φ32mm，孔深设计6000±50mm。采用一节Z2880中速树脂药卷端锚，紧跟迎头（掘进机后面）注稠浆至孔口漏浆，达到全长锚固，注浆滞后迎头不大于30m。

上帮锚杆间排距850×800mm，下帮间排距800×800mm，肩窝锚杆仰角10°，帮底角锚杆下扎45°，其余均穿过扁钢孔垂直帮部锚入。钻孔直径φ32mm，孔深2320，误差0~30mm。锚固方式：树脂加长锚固，采用一节k2550快速树脂药卷和一节Z2880中速树脂药卷。扭矩不低于120N·m,锚固力不低于80kN。金属网紧贴煤帮横向铺设，相邻两块金属网相互搭接，搭接宽度200mm，搭接处用14#铁丝连网钢带走向铺设并且压紧金属网。

4、当巷道底鼓严重时，卧底后底部裸露的巷帮要及时补打锚杆。

三、FLAC 3D数值模拟

通过数值模拟计算，可分析巷道围岩位移、应力及破坏范围分布，支护体受力状况；不同因素对巷道围岩变形及破坏的影响,分析支护优化方案的可行性。

1、数值模型的构建

岩层参数：某运顺平均埋深-800m～-870m，11-2煤均厚2.0m，直接顶为4.5m的砂质泥岩与0.5m的11-3煤，上覆岩层依次为15.8m老顶砂质泥岩、4.6m粉砂岩；直接底为4.0m砂质泥岩，下覆岩层依次为0.6m的11-1煤、10.0m砂质泥岩、0.5m煤线、砂质泥岩。

图4-1  某运顺数值模拟模型

模型简化：煤岩层倾角2-8°，本模拟不考虑岩层倾角问题，统一采用水平方向；原巷道尺寸为5.2×3.0m梯形巷道，本模型简化为5.0×3.0m矩形巷道；应力水平按实测施加。

模型设计大小65×20×55m，共76700个单元格，巷道左、右侧各30m，底板22m，顶板30m，巷道宽度20m。

2、巷道开挖应力

巷道开挖后，顶底板塑性区范围在5.0m内，两帮塑性区范围在3.0m内；受巷道掘进影响，最大主应力达37MPa，顶板、底板存在最大主应力集中区，顶板应力集中程度更强，距离巷道15m左右；最小主应力由围岩浅部到深部逐步增大，底板增长幅度较顶板慢。

3、模拟位移监测

支护优化后，某运顺顶板多点位移量最大位移将近15mm；巷道顶板整体性提高，虽然地应力增高，但顶板位移变化量不大；两帮多点位移量最大31mm，较原支护方案的观测的50mm有所减小；巷道底鼓量最大达52mm，较原支护方案观测的180mm大幅减小。优化后的支护方案能够控制巷道围岩变形，某运顺优化支护方案可行。

4、锚杆、锚索轴力监测

顶板锚杆最大轴力210kN，帮部锚杆轴力195kN；锚索最大轴力530kN，顶板预应力全锚锚杆、全锚锚索支护轴力随着围岩深度的增加逐渐降低；而帮部的锚杆支护轴力1.5m处开始下降，表明锚杆锚固端长度约900mm。

四、总结

1、影响巷道支护的关键性因素为地应力大小与围岩力学参数，支护措施重点在于提高围岩力学参数。

2、预应力全长锚固相对与加长锚固，提高了锚杆锚固性能，减小顶板锚杆的端部应力集中程度。

3、巷道两帮锚固长度小、锚固力小，相对于顶板全锚锚杆支护效果差，对顶板存在一定的影响。

4、底鼓控制可以采用加强两帮支护与45°下扎锚杆。

5、针对顶板锚杆、锚索抗剪能力差，应力集中现象造成的断锚断索通过支护体的全锚来改善。

6、某运顺优化支护方案可行，支护体效能能够充分发挥，巷道围岩变形控制效果较原方案好。

参考文献

[1]续庆盛.山西地区典型煤矿某煤层掘进巷道基本支护方案的设计实践.矿业装备.2020(3):254.

[2]武文军.试析煤矿井下巷道掘进顶板支护技术的优化措施，中国石油和化工标准与质量.2020(12):256-257.

[3]张磊.煤矿井下连采机掘进巷道中顶板支护技术研究.内蒙古煤炭经济.2019(4):285.

1