基于Phase2 有限元法驗(yàn)算巷道支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度

張建陽(yáng)

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273500）

0 引 言

東灘煤礦位于山東省鄒城市境內(nèi)，其井田位于兗州煤田東部，核定礦井生產(chǎn)能力750 萬(wàn)t/a。14320軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）位于東灘井田北翼的十四采區(qū)北部，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)采用懸吊理論為計(jì)算依據(jù)[1]，主要驗(yàn)算了錨桿和錨索的長(zhǎng)度，合理的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)不僅可以保證巷道的安全使用，還可以節(jié)約不必要的支護(hù)費(fèi)用投入。RocData 軟件是一款巖土不連續(xù)體強(qiáng)度分析軟件，可以利用巖石基本的力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成多種強(qiáng)度準(zhǔn)則下的巖體力學(xué)參數(shù)。有限元法是利用多個(gè)彼此聯(lián)系的單元體組成的物理模型來(lái)近似實(shí)際的結(jié)構(gòu)體或連續(xù)體[2]，Phase2 軟件是一款具有錨桿、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)分析功能的彈塑性有限元分析軟件[3]，利用該軟件可以方便、直觀、形象模擬圍巖條件、邊界條件和各種斷面形狀巷道的應(yīng)力場(chǎng)與形變場(chǎng)等因素對(duì)于巷道設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度的影響。本文利用有限元法的數(shù)字模擬來(lái)驗(yàn)證采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，從而增加了巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性，也為巷道后期施工和支護(hù)加固提供了理論依據(jù)。

1 工程概況

14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）采用半圓拱斷面，巷道凈寬4 600mm，凈高4 300mm，墻高2 000mm，巷道采用錨網(wǎng)噴永久支護(hù)（如圖1 所示），錨桿間排距1 000×1 000mm，支護(hù)材料為高強(qiáng)度左旋全螺紋錨桿（巷道頂板采用8 根Φ20mm×2 200mm 錨桿，巷道兩幫部采用6 根Φ20mm×1 800mm 錨桿)，巷道頂板中線位置布置一排Φ20mm×8 000mm 錨索,巷道頂板及兩幫鋪設(shè)Φ6.4mm 鋼筋網(wǎng)，噴射50mm厚混凝土，巷道底板鋪設(shè)150mm 厚混凝土地坪。

圖1 東灘煤礦14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖

2 數(shù)值模型建立

本文以東灘煤礦14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）為工程實(shí)例，再結(jié)合東灘煤礦的地質(zhì)條件和地應(yīng)力情況[4]，利用RocData 軟件將實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)基本參數(shù)轉(zhuǎn)換成巖體力學(xué)參數(shù),建立數(shù)值模型所選取的主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。施加在數(shù)值模型上邊界的原巖應(yīng)力以自重引起的鉛直應(yīng)力為主為16MPa，施加在模型側(cè)面邊界的水平地應(yīng)力為24MPa；模型四面為位移邊界，由于埋深達(dá)到550m，所以限制四面邊界的水平和垂直位移。在14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）實(shí)際施工過(guò)程中，巷道斷面分兩個(gè)階段完成爆破開(kāi)挖，第1 階段爆破上部半圓拱部分，第2 階段爆破下部矩形部分。在這兩個(gè)階段開(kāi)挖過(guò)程中不能立即施加永久支護(hù)，而是要相隔一定的時(shí)間，巷道圍巖會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)由于應(yīng)力釋放產(chǎn)生位移和變形。為使數(shù)值模型更加真實(shí)，應(yīng)用Phase2 軟件自帶的荷載拆分功能將荷載合理分配到2 個(gè)開(kāi)挖階段，而不是一次性施加到第1 階段[5]。

表1 模型主要計(jì)算參數(shù)

數(shù)值模型計(jì)算采用霍克-布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則[6]，泥巖和細(xì)砂巖巖體的應(yīng)力應(yīng)變均在其彈塑性范圍內(nèi)變化。建立數(shù)值模型長(zhǎng)為30.4m，高為30.1m，模型共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)995 個(gè)，單元體網(wǎng)格1806 個(gè)，所建模型如圖2 所示。

圖2 14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）巷道數(shù)值模型（左圖無(wú)支護(hù),右圖有支護(hù)）

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)圖3 巷道整體變形分布云圖可知，變形部分集中出現(xiàn)在巷道左幫至頂板中央處，其中無(wú)支護(hù)巷道的整體最大變形量為110.55mm，根據(jù)巷道現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際情況，當(dāng)頂板或兩幫的變形量大于120mm 時(shí)，就必須進(jìn)行擴(kuò)刷和支護(hù)加固，因?yàn)橄锏酪呀?jīng)無(wú)法滿足安全使用的需要。在無(wú)支護(hù)條件下的巷道變形量已接近允許的極限范圍，需要進(jìn)行支護(hù)加固作業(yè)，而有支護(hù)巷道的整體最大變形量?jī)H為70.34mm，巷道采用的支護(hù)設(shè)計(jì)使其整體最大變形量減少了36.4%；根據(jù)圖4 巷道的水平變形分布云圖可知，水平變形部分集中出現(xiàn)在巷道兩肩窩處，并呈“同心圓”狀向兩側(cè)斜上45°方向逐漸減小，其中巷道的最大變形出現(xiàn)在巷道左幫泥巖和細(xì)砂巖巖體分界區(qū)域上處，無(wú)支護(hù)巷道的最大水平變形量為97.58mm，有支護(hù)巷道最大水平變形量為65.63mm；垂直變形分布云圖（如圖5 所示）與整體變形分布云圖相似，垂直變形集中出現(xiàn)在巷道左幫至頂板中央處，且兩者數(shù)值接近，其中無(wú)支護(hù)巷道的垂直最大變形量為107.49mm，有支護(hù)巷道的垂直最大變形量為51.64mm。圖6 為巷道圍巖的最大剪切應(yīng)變分布云圖，從最大剪切破壞區(qū)域的分布可以分析出巷道的塑性區(qū)分布在巷道兩幫至頂板處外延0.4～1.0 m 左右，以及巷道兩角應(yīng)力附近區(qū)域，且明顯集中分布在泥巖巖體之中。

圖3 14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）巷道整體變形分布云圖（左圖無(wú)支護(hù),右圖有支護(hù)）

圖4 14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）巷道水平變形分布云圖（左圖無(wú)支護(hù),右圖有支護(hù)）

圖5 14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）巷道垂直變形分布云圖（左圖無(wú)支護(hù),右圖有支護(hù)）

圖6 14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）巷道垂最大剪切應(yīng)變分布云圖

根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果分析可知，14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）所在圍巖整體穩(wěn)定性較差，尤其在泥巖巖體中或泥巖與砂巖巖體分界區(qū)域開(kāi)拓的巷道可能存在冒頂、片幫、鼓底和頂?shù)装蹇s進(jìn)量過(guò)大等風(fēng)險(xiǎn)，而有支護(hù)巷道基本可以保證巷道的安全使用，有效降低了兩幫和頂?shù)装宓目s進(jìn)量，且錨桿和錨索的錨固長(zhǎng)度在巷道的塑形區(qū)域之外，可以提供良好的支護(hù)作業(yè)，利用懸吊理論計(jì)算的東灘煤礦14320 軌順（南段）巷道支護(hù)設(shè)計(jì)基本滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度需要，但需要對(duì)巷道特殊部位，特別是巷道左幫泥巖和細(xì)砂巖巖體分界處加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和支護(hù)［7-8］。巷道兩底角也存在變形量較大、剪切應(yīng)力較集中的風(fēng)險(xiǎn)，甚至有可能出現(xiàn)“壓- 剪”形式的破壞［5］，在施工巷道底角排水溝時(shí)需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)工程質(zhì)量管理。

4 結(jié) 論

本文以東灘煤礦14320 軌順聯(lián)絡(luò)巷（南段）為工程實(shí)例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)資料和巖石力學(xué)參數(shù)，通過(guò)RocData 軟件確定了霍克布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算所需參數(shù)和建立數(shù)值模型所需的巖體力學(xué)參數(shù)。再利用Phase2 有限元分析軟件分別建立了無(wú)支護(hù)和有支護(hù)條件下巷道的數(shù)值模型，通過(guò)分析巷道模型圍巖的變形場(chǎng)和塑性場(chǎng)分布規(guī)律，有效地模擬了巷道在支護(hù)前后的變形量差異和塑性區(qū)域分布規(guī)律，從而驗(yàn)證了利用懸吊理論計(jì)算的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足工程需要，也為巷道部分區(qū)域適當(dāng)加大支護(hù)強(qiáng)度提供了理論依據(jù)。初步為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和后期加固措施提供了一定的參考。