基于FLAC 的采空區(qū)下煤層巷道支護(hù)研究

孔立平

（陽(yáng)泉市南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

礦山開(kāi)采塌陷是采礦安全問(wèn)題中的主要問(wèn)題，如何避免此類(lèi)塌陷事故的發(fā)生是煤礦行業(yè)的主流研究方向[1]。煤礦巷道圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以估計(jì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，若打圍加固過(guò)程中處理不善，很容易導(dǎo)致巖石塌陷。因此目前應(yīng)用較為廣泛的錨桿支護(hù)技術(shù)存在不可控因素，應(yīng)用不當(dāng)就可能導(dǎo)致重大的安全事故。所以如何兼顧安全與生產(chǎn)效益、如何確保支護(hù)系統(tǒng)的可靠性等問(wèn)題的研究具有重要意義[2-3]。

1 FLAC 軟件簡(jiǎn)介

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）為ITASCA 開(kāi)發(fā)制作的仿真分析軟件，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠模擬土質(zhì)、巖土以及其他一些塑性較強(qiáng)特殊材料的力學(xué)特征，具有比有限元更強(qiáng)的非線(xiàn)性問(wèn)題處理能力。在外力作用下，塑性材料可能產(chǎn)生材料破碎，存在大范圍的位移。當(dāng)材料發(fā)生屈服流動(dòng)時(shí)，單元仍然能夠很好地模擬與塑性材料相同的變化特征，應(yīng)用于巖石的應(yīng)力應(yīng)變分析十分有利[4]。

與此同時(shí)，F(xiàn)LAC 采用顯示拉格朗日法來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)力與形變之間的關(guān)系，不同于常規(guī)有限元計(jì)算，有賴(lài)于結(jié)構(gòu)總剛度矩陣的特點(diǎn)，該軟件的計(jì)算算法對(duì)模型的建模要求、網(wǎng)格劃分質(zhì)量都不會(huì)有太高的要求。由于無(wú)須求解階數(shù)巨大的矩陣參數(shù)，所以在模型求解過(guò)程中具有占用內(nèi)存小、計(jì)算速度快等特點(diǎn)[5]?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)非線(xiàn)性大變形、結(jié)構(gòu)大扭曲，以及巖土特有的一些特性進(jìn)行模擬，如：地下滲流、巖土沉降、錨桿安置、混凝土回填、洞室邊坡開(kāi)挖等，尤其是對(duì)于錨桿、錨繩的快速設(shè)置，大大簡(jiǎn)化問(wèn)題的研究難度。輸出的結(jié)果包括主應(yīng)力坐標(biāo)系的分布向量σx、σy、τxy，以及位移Ux，Uy提取錨桿所受的載荷等參數(shù)。能夠模擬出煤礦挖掘過(guò)程對(duì)巖土位移、變形的影響，可以借此更加直觀了解到圍巖的特征，對(duì)分析巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要作用[6]。

2 模型的建立與分析

2.1 模型的建立

基于青東煤礦某機(jī)巷組合支護(hù)系統(tǒng)建立模型，從求解模型的角度綜合考慮巖層塑性力學(xué)特性和彈性力學(xué)特性，本模型的尺寸設(shè)置為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)尺寸水平方向的3～4 倍，豎直方向的2～3 倍，模擬自然狀態(tài)下煤層傾斜角度，傾斜角設(shè)置為11°，根據(jù)實(shí)際情況與模型特性，建立100 m×40 m 的分析模型，其中上層施加的圍巖應(yīng)力P 根據(jù)厚度500 m 深度計(jì)算得到，如圖1 所示。

圖1 模型示意圖

2.2 邊界條件的設(shè)定

由于2 煤下部處于巷道下底部，不會(huì)產(chǎn)生豎直向上的位移，因此在模型處理的時(shí)候?qū)⒌撞吭O(shè)置為固定約束。模型的左右邊界X 方向的位移固定，即模型的X 方向的邊界不會(huì)發(fā)生沿著X 方向的位移。

通常情況下，上層巖土中沒(méi)有關(guān)鍵層時(shí)，可以將上部圍巖對(duì)模型上邊的壓力視為均布載荷。但在本模型中，在巷道的施工中對(duì)上層圍巖的破壞很小，所以上層圍巖所形成的壓力可以簡(jiǎn)化為均布載荷。由此可以計(jì)算壓力P 值P=ρgh。式中：ρ 為圍巖密度，取2 500 kg/m3；g 為重力加速度，取9.83 m/s2；h 為圍巖高度，取600 m。將數(shù)值代入公式得P=1.475×107Pa。

2.3 網(wǎng)格劃分與材料設(shè)置

為更合理地研究支護(hù)系統(tǒng)對(duì)巷道的影響，根據(jù)青東煤礦提供的該礦所處位置的地質(zhì)資料，以及支護(hù)系統(tǒng)錨桿、錨繩支護(hù)時(shí)的特性，綜合選定模型所涉及的參數(shù)。先對(duì)模型中的具體參數(shù)做如下說(shuō)明：煤層3 m，再向上緊接著0.5 m 的泥巖。如上頁(yè)圖1 中1煤為1.5 m，8.0 m 的中粒砂巖，5 m 泥巖，粉砂巖14 m。模型豎直方向按實(shí)際巖層分層劃分。

模型大部分區(qū)域使用0.5 mm×0.5 mm 的單元塊，兩側(cè)使用區(qū)域使用1.0 mm×0.5 mm的單元，對(duì)采用區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行處理是注意網(wǎng)格劃分質(zhì)量，模型共計(jì)劃分得到12 510 個(gè)單元。而各個(gè)巖層所對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)見(jiàn)表1 所示。

表1 液壓支架參數(shù)

3 巷道支護(hù)模型分析

為了對(duì)比說(shuō)明支護(hù)系統(tǒng)對(duì)巷道應(yīng)力應(yīng)變的改善情況，設(shè)置兩個(gè)煤層巷道模型，即有巷道支護(hù)系統(tǒng)和無(wú)巷道支護(hù)系統(tǒng)。設(shè)無(wú)支護(hù)時(shí)巷道開(kāi)挖后應(yīng)力分析模型為模型A，有支護(hù)時(shí)巷道模型為模型B。在計(jì)算過(guò)程中，首先應(yīng)計(jì)算原始狀態(tài)下巖層的應(yīng)力初值，得到機(jī)巷開(kāi)挖前的應(yīng)力分布。再根據(jù)采空區(qū)工作面回采2 煤時(shí)的巖層應(yīng)力，選擇合適的、合理的機(jī)巷初始挖掘位置，最后設(shè)置模型A、模型B，計(jì)算得到加支護(hù)系統(tǒng)后地巖層應(yīng)力的影響。

3.1 無(wú)支護(hù)巷道模型分析

在巖層分析過(guò)程中，由于垂直方向應(yīng)力，即σy的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平方向σy的值，所以σy的分布能夠反映整體總應(yīng)力的分布情況，所以在模型A、模型B 的分析過(guò)程中主要參考垂直方向應(yīng)力。如圖2 所示為無(wú)支護(hù)系統(tǒng)時(shí)，巷道垂向應(yīng)力分布情況。

圖2 無(wú)支護(hù)時(shí)巷道垂直應(yīng)力（Pa）

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，與初始未開(kāi)挖前巖層應(yīng)力相比，機(jī)巷的開(kāi)挖使得區(qū)域垂直應(yīng)力重構(gòu)，使得應(yīng)力集中增加的區(qū)域往左右兩側(cè)轉(zhuǎn)移。巷道左右兩側(cè)4～5.5 m 范圍內(nèi)應(yīng)力值在20～26 MPa 左右，往內(nèi)走，左右兩側(cè)0～4 m 的范圍內(nèi)，應(yīng)力值在6～9 MPa 區(qū)間內(nèi)，再向兩側(cè)拓寬，應(yīng)力分布左右顯著不同。左側(cè)高應(yīng)力區(qū)區(qū)域大于右側(cè)，應(yīng)力值也更大，左側(cè)應(yīng)力值范圍為25～31 MPa。由圖2 可知，在巷道附件上下、左右應(yīng)力分布均較小，基本處于0～3.5 MPa 范圍內(nèi)。

3.2 有支護(hù)巷道模型分析

建立模型B，即在模型A 的基礎(chǔ)對(duì)機(jī)巷道壁面增設(shè)錨桿支護(hù)系統(tǒng)。支護(hù)系統(tǒng)采用的錨桿規(guī)格：M20 mm×2 400 mm，錨索梁規(guī)格為Φ14.3 m×5.5 m。桁架錨索的預(yù)緊力設(shè)定為65 kN，錨索張緊狀態(tài)下，對(duì)幫部的水平作用力0.35 MPa 左右，因此在模型中可以設(shè)定均布載荷P 的值為0.35 MPa，如圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)系統(tǒng)建模

分析求解模型B 可以得到在支護(hù)系統(tǒng)添加后，巷道周?chē)鷳?yīng)力狀分布況，模型B 計(jì)算得到結(jié)果如圖4 所示。

圖4 有支護(hù)時(shí)巷道垂直應(yīng)力（Pa）

圖4 結(jié)算結(jié)果顯示，在距離巷道左右兩側(cè)3～5 m范圍內(nèi)，應(yīng)力最大，應(yīng)力值在30～35 MPa 范圍內(nèi)，在巷道左右兩側(cè)0～3 m 范圍內(nèi)應(yīng)力較小，應(yīng)力值范圍為10～15 MPa。與沒(méi)有支護(hù)系統(tǒng)巷道模型計(jì)算結(jié)果相比，加支護(hù)系統(tǒng)后，整體應(yīng)力分布情況分布趨于平衡。巷道兩側(cè)高應(yīng)力區(qū)范圍縮小，地應(yīng)力區(qū)范圍縮小，即高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力由支護(hù)系統(tǒng)合理傳遞分配到應(yīng)力較小的區(qū)域，由此達(dá)到平衡狀態(tài)，結(jié)果表明支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整起了很大作用。

4 對(duì)巷道的施工建議

1）根據(jù)仿真模型的計(jì)算結(jié)果顯示，在巷道施加支護(hù)系統(tǒng)對(duì)其整體穩(wěn)定性、應(yīng)力分布情況有比較大的改善，但是在控制巖土位移量時(shí)不佳，因此在實(shí)際巷道支護(hù)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)巖土特性進(jìn)行分析，應(yīng)采取更加有效的強(qiáng)支護(hù)措施。

2）錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)在安裝時(shí)，為確保支護(hù)效果，應(yīng)對(duì)錨桿施加足夠的預(yù)緊力，對(duì)于巷道的支護(hù)起重要作用。

3）本模型計(jì)算時(shí)，對(duì)某些參數(shù)設(shè)定做了簡(jiǎn)化處理，在實(shí)際巷道支護(hù)問(wèn)題的研究過(guò)程應(yīng)更加充分，采取更為安全、保守的支護(hù)措施。

5 結(jié)論

1）FLAC 軟件對(duì)于巷道支護(hù)系統(tǒng)的分析具有較大優(yōu)勢(shì)，可以在軟件中直接設(shè)定錨桿、巖土層材料參數(shù)，對(duì)于巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)、施工均具有較大的參考意義。

2）計(jì)算結(jié)果表明，安裝支護(hù)系統(tǒng)可有效緩解巷道周?chē)鷰r層壓力分布情況。壓力分布更加區(qū)域均布，特別是對(duì)于巷道周?chē)^近的塑性區(qū)巖層改善較為明顯。

3）采用支護(hù)系統(tǒng)后，對(duì)于圍巖的應(yīng)力分布狀況改善明顯，尤其是改善了圍巖拉伸應(yīng)力區(qū)的分布情況，模型B 計(jì)算結(jié)果顯示巷道周?chē)緵](méi)有出現(xiàn)較大范圍的拉伸應(yīng)力區(qū)。