论巷道支护数值模拟研究及应用

程文博　纵双园

摘要：上个世纪70年代后期到80年代，是巷道围岩稳定理论空前发展时期，进入21世纪，为了更好的研究巷道围岩稳定问题。充分引用计算机数值模拟处理复杂岩土工程及力学问题。三维快速拉格朗日法是一种基于三维显示有限差分法的数值分析方法。五沟煤矿的南一采区回风巷，经数值分析后，确定了合理的支护参数，取得了良好的经济致益。并且安全得到了保障。

关键词：巷道支护；数值模拟；经济效益；安全保障

中图分类号：TU7

文献标识码：A

文章编号：1672-3198(2009)13-0277-02

0前言

三维快速拉格朗日分析采用了显示有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。三维快速拉格朗日分析程序FLAC3D具有强大的后处理功能。很适用采矿设计中评估断层的影响、地质体的锚固分析等数值模拟。

1FLAC3D的计算原理

快速拉格朗日分析程序有很强的分析功能，其基本思想是：通过对三维介质的离散，使所有外力与内力集中于三维网络节点上，进而将连续介质运动定律转化为离散节点上的牛顿定律；时间与空间的导数采用沿有限空间与时间间隔线性变化的有限差分来近似；将静力问题当作动力问题来求解，运动方程中惯性项用来作为达到所求静力平衡的一种手段。

2南一采区回风巷计算条件

五沟煤矿南一采区回风巷埋深-375m，两帮为煤，底板为砂岩，并伴有泥岩，岩性f=4-6；断面形式为梯形，高3.7m，上底3.8m，下底4m；支护方式采用锚网梁支护，锚杆18×2200，间距800×800，喷厚90ram。

数值模拟采用FLAC-3D计算程序完成。参考相关经验将围岩定为不稳定围岩。

3南一回风巷的三维弹塑性分析

为了进行对比，计算中锚杆间距分别取800×800mm和900×900mm。

3.1计算模型及初始状态

巷道支护计算网格图中网格剖分采用FLAC-3D完成，采用单元形态为六面体单元。

然后分别绘制锚杆间距为800×800mm和锚杆间距为900×900mm的锚杆衬砌支护及锚杆的锚固形式计算图，锚杆锚固形式为端部锚固。垂直巷遂轴线方向初始水平应力分布等色线图，巷道轴线方向初始水平应力分布等色线图和巷道初始竖向应力分布等色线图。

3.2巷道支护数值模拟

数值模拟没有考虑施工工序，认为巷道是整体开挖和及时支护的。分别绘制出以下锚杆间距为800×800mm和锚杆间距为900×900mm的计算结果图；开挖及支护后巷道位移矢量分布图；开挖及支护后巷道位移等值图；开挖及支护后垂直巷道轴线方向水平应力分布图；开挖及支护后巷道轴线方向水平应力分布图；开挖及支护后巷道竖向应力分布图；开挖及支护后巷道中形成的塑性屈服区域，支护位移矢量分布图；锚杆轴向所受的拉力和压力分布图；锚杆轴向所受的应力分布图。

计算结果图显示，对不稳定围岩而言，巷道支护后仍有较大的收敛位移。

从巷道位移矢量分布图中可以看出巷道底板的位移较小，顶板的位移居中，而两帮的位移最大，当锚杆的间距为800×800mm时，巷道的位移最大值为245mm；当锚杆的间距为900×900时，巷道的位移最大值为267mm，位移量增加了9.0％。

从巷道位移等值线图中可以看出，锚杆间距800×800mm时，两帮最大位移值为245mm，顶板的位移最大值为225mm，锚杆间距900×900mm时，两帮最大值位移值为267mm，顶板的位移最大值为225mm，表明锚杆间距对顶板位移量影响不明显。

从巷道围岩应力分布云图中可以看出，当锚杆间距800X800mm时，巷道顶部在竖直方向出现拉应力区，最大值为1.50e5 N/m。当锚杆间距900×900mm时，巷道两帮在垂直于巷道轴线方向出现拉应力区，最大值为1.39e54N/m。在巷道顶底部在竖直方向出现拉应力区，最大值为2.07e5N/m。锚杆间距增加后导致两帮出现拉应力状态，导致两帮张拉破坏加剧。

从开挖及支护后巷道中形成的塑性屈服区域，支护位移矢量分布示意图中表明巷道两帮及顶底板均出现塑性破坏，顶底板出现塑性屈服后，趋于稳定而两帮则处于不稳定状态，并且在两帮出现了拉坏区。当锚杆间距从800mm增加到900mm时，顶底板围岩塑性区有减小的趋势，而两帮破坏加剧，同时张拉破坏也加剧。

锚杆轴向所受的拉力和压力分布图表明支护结构最大位移出现在两帮。当锚杆间距为800×800mm时，最大位移值为280mm。当锚杆间距为900×900mm时，最大位移值为302mm。两帮支护结构(衬砌)的位移最大值大于围岩两帮位移最大值(g00×900mm时为302mm，800×800mm时为280mm)。说明了衬砌局部出现脱离围岩情况。

从锚杆轴向所受的应力分布图中可看出锚杆均处于张拉状态，最大拉力为59KN。两帮锚杆处于屈服状态，最大应力达到232MP。

4现场实测与数值模拟比较

南一采区回风巷巷道数值模拟和现场实测比较

5结语

五沟煤矿利用数值分析后，确定了合理的支护参数，至今，南一采区回风巷未有一次大修，节约了巷道修复成本，取得了良好的经济效益且安全得到了保障。