劉志超

摘 要：【目的】為了探究當前支護設計的合理性，減小巷道的變形，使工程順利進行。【方法】本研究以新集二礦某巷道作為工程背景，運用FlAC3D軟件對三條巷道進行模擬分析，并對預計的支護設計方案進行數值模擬。【結果】最終得出三條巷道整體支護效果良好，變形量在合理范圍內，但個別巷道受掘進、采動影響變形破壞較嚴重?！窘Y論】針對此結果應單獨加強后期補強支護，以使該支護設計方案在項目中可以達到預期效果。

關鍵詞：數值模擬；多條巷道；錨桿支護；錨索支護

中圖分類號：TD353? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0049-05

Abstract： [Purposes] In order to explore the rationality of the current support design， reduce the deformation of the roadway and make the project proceed smoothly.[Methods] In this study， a roadway in Xinji No.2 Mine was used as the engineering background. The three roadways were simulated and analyzed by using FlAC3D software， and the expected support design scheme was used for numerical simulation.[Findings] Finally， it is concluded that the overall support effect of the three roadways is good， and the deformation is within a reasonable range， but the deformation and failure of individual roadways are serious due to excavation and mining. [Conclusions] In view of this result， the later reinforcement support is strengthened separately， so that the support design scheme can achieve the expected effect in the project.

Keywords： numerical simulation; multiple roadways; bolt support; anchor support

1 工程概況

新集二礦210813里風巷、機巷和210818底板巷井下位置位于二水平東翼2108采區(qū)。巷道斷面形狀有拱形和梯形斷面，風巷和機巷處于8煤層中，底板巷主要位于7-1煤層及其頂、底板巖石層位中，煤層埋深在700～750 m范圍內，7、8、9煤平均開采厚度分別為2.50 m、3.17 m和1.08 m。由于三個煤層中巷道掘進、開采對其巷道有反復擾動影響，二次擾動效應影響導致巷道圍巖應力分布情況更加復雜，支護難度也相應提升。為解決二次擾動現象造成的影響，對7、8、9煤巷道支護設計進行研究。

2 支護方案設計

依據極限平衡理論計算新集二礦7、8、9煤巷道支護參數，并結合以往工程經驗，選取適當的材料規(guī)格［1-10］。230818底板巷巷道支護設計形式如圖1所示。由于230813風巷、230813機巷巷道斷面尺寸形式與該底板巷巷道差異不大，且有一個梯形斷面，基于該巷道支護設計進行數值模擬，進而分析在該支護方案下巷道間的相互影響和巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3 數值模擬研究

3.1 模型建立

基于不同影響因素的研究需求，根據新集二礦7、8、9煤地質采礦條件，建立FLAC3D數值分析模型，模型x向長160 m，y向長40 m，模型高度68.6 m。模型四周和底部采用位移限定邊界，即模型底面在豎直方向上速度為零，4個側面沿水平方向速度為零，模型頂面施加豎直向下的應力邊界，水平應力按靜水壓力設置。模型采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準則見式（1）。

模擬時錨桿和錨索等結構材料的參數，全部按照礦方常用支護材料和原支護設計時所采用的材料參數計算，若無相關材料（比如原支護沒有錨索支護），則該參數選用設計方案中所選用的材料參數來替代。而巖層的力學參數則根據礦方地質資料來確定，考慮到施工現場與室內試驗的條件差異，對部分巖體力學參數進行調整，模擬所取的巖體力學參數見表1。

為使模擬結果更貼近實際情況，按照礦方真實施工順序，先進行9煤煤層的開挖支護，在9煤回采期前完成7-1煤底板巷的施工，之后進行9煤的回采，然后8煤掘進支護，再開采，由于軟件中無法將各個步驟清晰地展現，在模擬中通過模擬開采掘進順序，來施加應力達到理想效果。由于本項目研究重點為巷道圍巖穩(wěn)定性和支護效果，考慮到三種不同斷面尺寸、形狀的巷道在同一模型中建模的復雜性，為提高運算速度，且更直觀地反映巷道在支護作用下圍巖的穩(wěn)定影響，將風巷、機巷簡化為矩形巷道。相較于拱形巷道，對支護結構的依賴性更高，相對于梯形斷面，效果大致相同，底板巷的斷面形狀不做改動，數值模擬模型體現效果如圖2所示。

3.2 不同巷道應力對比分析

三條巷道圍巖水平和垂直應力和分布曲線如圖3所示。由圖3可以看出以下幾個方面。

①底板巷巷道兩幫附近的應力集中區(qū)域逐漸后移且不斷增大。巷道頂底板水平應力不斷減小，相較于不同位置的三條巷道，在豎直方向上的兩條巷道頂底板水平應力受兩條巷道距離影響，底板巷巷道地應力的增大，水平應力隨之增加；相較于8煤中兩條鄰近巷道而言，風巷受到7煤底板巷的影響，因此水平應力相比于機巷較大，水平應力峰值達到22 MPa，底板巷水平應力峰值達到19.8 MPa，機巷水平應力最小，為19.4 MPa。

②處在8煤層的風巷和機巷之間，距巷道幫部2 m處存在應力增大區(qū)域，并在巷道頂角與底角處存在的應力集中區(qū)域相連接，且這種現象在大斷面巷道處更為明顯。由此現象可以得出，若巷道間距的進一步減小，巖柱側幫部應力增大區(qū)域與頂角和底角處應力集中區(qū)域相貫通，巖柱內垂直應力將進一步增大。

③對7煤層底板巷而言，與8煤風巷右?guī)蛻υ龃髤^(qū)域相貫通，側幫巖柱整體處于較大垂直應力之中，且7煤底板巷由于和8煤風巷位于同一垂直方向上，受采動和地應力影響，底板巷所受垂直應力較大，幫部垂直應力較為集中。

④底板巷幫部垂直應力峰值大于風巷和機巷，其中巖柱側應力峰值大于非巖柱側，且巷道間距越小，巖柱側幫部集中應力峰值越大，對比差異更為明顯。其中底板巷幫部垂直應力峰值為32.5 MPa，明顯大于非巖柱側應力峰值，巖柱整體處于高應力之下，嚴重影響了巷道圍巖的穩(wěn)定性；風巷和機巷垂直應力峰值差別不大，風巷最高32 MPa，機巷峰值最高為31 MPa，應力峰值相近，周圍圍巖所受鄰近硐室的影響較小。

3.3 不同巷道位移對比分析

三條巷道圍巖水平、垂直位移分布如圖4所示，由圖4可以看出以下幾個方面。

①對于8煤巷道而言，底板圍巖位移明顯小于頂板圍巖位移，7煤層中底板巷底板圍巖位移量較頂板相對較多，破壞也比較嚴重。8煤層中，機巷底臌量較大，峰值達到49 mm，風巷底臌量最大達到40 mm，而7煤層中底板巷底臌量最大41.5 mm。由此可知，相對于矩形巷道和拱形巷道，拱形巷道斷面尺寸相對較大，且所處位置地應力也相對較大，受各種外部因素影響，圍巖破壞相對更加明顯，但由于底板巷支護采用的錨桿錨索數量較多，有效地抑制了圍巖變形，因此該支護方案效果較好。而機巷由于斷面尺寸比風巷稍大，在相同的支護方式下，圍巖變形量也隨之增加。

②鄰近巷道對幫部圍巖位移量無明顯影響，左右兩幫位移量相對接近，相較于單一巷道而言，整體位移量要大于單一巷道圍巖位移量，對于單一巷道底板巷圍巖位移峰值最大為55 mm，而風巷左右兩幫位移量相對較大，右?guī)头逯底畲鬄?20 mm，左幫峰值為111 mm，機巷幫部位移量相對較小，左幫位移峰值為102 mm，右?guī)臀灰品逯禐?0 mm?？梢钥闯觯挥?煤層中的風巷左右兩幫圍巖位移量最大，這是由于其受鄰近巷道和7煤正下方的底板巷影響。因此在后期補強支護中應考慮加強風巷的補強支護。

③頂板圍巖變形量最大的為8煤層中的風巷，最大下沉量為83 mm，其次為機巷，最大下沉量為74.8 mm，7煤層中的底板巷頂板下沉量最小，最大下沉量為36.8 mm。風巷下方受7煤掘進開采影響，加上地應力作用，相較機巷而言頂板下沉量較大，其中圍巖變形最為穩(wěn)定的是底板巷。由于底板巷為拱形巷道，其自身承載能力在形狀上優(yōu)于風巷和機巷這種矩形斷面，且底板巷的支護結構也優(yōu)于風巷和機巷，因此底板巷支護效果尤為明顯。

3.4 不同巷道塑性區(qū)對比分析

三條巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖5所示。

由圖5可以看出7煤巷道斷面形狀為拱形，承壓能力較好；8煤風巷和機巷塑性區(qū)范圍較大；整體來看幫部塑性區(qū)范圍大于頂、底板塑性區(qū)。

4 礦壓監(jiān)測

巷道掘進后，大約25 d后趨于穩(wěn)定，風巷頂板變形量為80～90 mm；底板變形不大，大約為33 mm；兩幫的變形量為201 mm；機巷頂板變形量為600～700 mm；底板變形不大，大約為40 mm；兩幫的變形量大約為190 mm；底板巷頂板變形量為35～40 mm；底板變形不大，大約為34 mm；兩幫的變形量大約為192 mm；沒有發(fā)現不良現象。

5 結論

由上述數值模擬分析可以得出以下結論。

①對比三條試驗巷道的水平應力可知，由于風巷受到7煤底板巷的影響，水平應力相比于機巷較大，底板巷和風巷相互影響，因此底板巷的水平應力較機巷略大。

②對比三條試驗巷道的垂直應力可知，7煤層底板巷與8煤風巷右?guī)蛻υ龃髤^(qū)域相貫通，側幫巖柱整體處于較大垂直應力中，且7煤底板巷由于和8煤風巷位于同一垂直方向上，受采動和地應力影響，底板巷所受垂直應力較大，幫部垂直應力較為集中，底板巷所受垂直應力相對較大，三條巷道垂直應力差異不明顯。

③對比三條試驗巷道的位移監(jiān)測曲線，分析幫部和頂底板位移變化規(guī)律，整體上看變形量最小的是7煤層的底板巷，最大的是8煤風巷，變形量與巷道斷面形狀、尺寸、支護結構和鄰近巷道的影響有著密不可分的聯(lián)系。

④由上述分析可以看出，三條巷道整體支護效果良好，變形量在合理范圍內，個別巷道受掘進、采動影響變形破壞較嚴重，應單獨加強后期補強支護。該支護設計方案在本項目中已達到預期效果。

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