浅析数值模拟在煤矿巷道支护设计中的应用①

王军

摘 要：本文从数值模拟在煤矿支护设计中的应用出发，阐述了数值模拟的计算方法和步骤，并对红石湾煤矿巷道支护设计进行了数值模拟，对巷道支护的效果进行了对比分析。

关键词：巷道支护 计算方法 数值模拟 应用

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0127-02

通过数值模拟法进行锚杆支护的设计随着在采矿工程中大量应用数值计算方法也得到了快速的发展。数值模拟法比其他设计法拥有多方面的优点，例如可以模拟各种复杂的围岩条件、边界条件或者断面形状巷道的应力场和位移场；可以进行多方案的快速比较来分析影响巷道支护效果的各种攻因素；拥有更直观、形象的模拟结果，方便分析处理等优点。美国，英国和澳大利亚等锚杆支护技术先进的国家已经对数值模拟法进行了广泛的应用。

1 数值模拟计算方法

有限元、离散元或者有限差等数值方法已经随着计算技术的快速发展广泛运用与巷道支护设计。非圆形、非均质、复杂边界条件的巷道支护设计方面已经体现出了这些计算方法较大的优越性，并且可以从同时进行的方案中比较选出更合理的方案。

目前应用比较广泛的FLAC软件，可模拟土、岩石等材料的力学行为。它采用显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，使该程序能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏。FLAC采用显式解法，可模拟任意非线性力学问题，适用于模拟连续介质非线性、大变形问题。

2 数值模拟步骤

采用数值模拟方法进行锚杆支护设计一般按以下步骤进行。

2.1 确定巷道的位置与布置方向

巷道位置与布置方向一般根据矿体条件、区段划分、采场布置等因素确定。如果能考虑地应力对巷道稳定性的影响，将十分有利于巷道维护；一方面，尽量将巷道布置在比较稳定的岩体中和应力降低区；另一方面，应将巷道布置在受力状态有利的方向。如当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于围岩稳定；当巷道轴线与最大水平主应力垂直，巷道受水平应力的影响最大，围岩稳定性最差。

2.2 确定巷道断面形状与尺寸

根据运输设备尺寸、通风、行人要求和巷道围岩变形预留量，设计合理的巷道断面形状与尺寸。

2.3 建立数值模型

根据巷道地质与生产条件，确定模型模拟范围、模型网格及边界条件，选择合理的模拟围岩和支护体的力学模型。

2.4 确定模拟方案

根据模拟对象确定模拟方案。一般包括不同巷道轴向与最大水平主应力方向夹角，不同锚杆预应力，不同锚杆支护密度，及锚索密度、长度、强度等支护方案。

2.5 模拟结果分析

分析巷道围岩变形与破坏的特征，地应力大小与方向、锚杆与锚索预应力、支护密度、直径、长度和强度等参数对支护效果的影响，通过多方案比较，最后选择有效、经济、便于施工的支护方案。

2.6 井下监测与信息反馈及修正设计

初始设计实施于井下后，必须进行全面、系统的监测，监测的目的是获取巷道围岩和锚杆的各种变形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始设计。

获得监测数据以后，将实测数据与信息反馈指标比较，就可判断初始设计的合理性，必要时修正初始设计。

3 红石湾煤矿巷道支护设计数值模拟对比

红石湾煤矿501工作面回风巷设计走向长度1368 m，倾斜长度173 m，煤层厚度4.6 m，煤层倾角22°，巷道标高：+920～ +856 m，地面标高：123～1246 m，埋深：312～390 m。

3.1 新旧支护设计

原支护设计：普通锚杆支护，顶板6根锚杆，两帮各4根，排距0.8 m，顶锚杆直径φ20 mm，帮锚杆直径φ16 mm，顶锚杆长度2.5 m，帮锚杆长度1.6 m，锚索补强；

新支护设计：400号锚杆支护，顶板5根锚杆，两帮各4根，排距0.9 m，顶锚杆直径φ22 mm，帮锚杆直径φ20 mm，顶锚杆长度2.4 m，帮锚杆长度2.0 m，锚索补强。

3.2 新旧支护方案应力对比

如图1～图4所示。

4 工程应用

通过对比巷道位移量、应力分布（如图1～图5）可以看出，当采用设计支护方案进行支护时，由于锚杆材质的提高，锚杆的承载力大大增加，经受两次动压影响后锚杆受力大部分都没有超过屈服极限，巷道剪切破坏范围明显减小；由于新设计方案对预紧力的提高，使得巷道围岩塑性区明显减少，应力分布更加均匀，围岩变形得到有效控制。

5 结语

综合比较两种支护方式数值模拟计算结果，无论从节约成本考虑还是预应力扩散效果考虑，新支护方案都较原支护方案更为理想。

通过对比原支护方案和新支护方案的位移量、应力分布可以看出，当采用设计支护方案进行支护时，顶板下沉量减少14.6%，左帮移近量减少5%，右帮移近量减少11.4%；锚杆的承载力大大增加，锚杆受力大部分都没有超过屈服极限；

数值模拟法作为一种新的设计方法，经过不断的改进和发展，将逐步应用于实际。

参考文献

[1]何满潮.中国煤矿巷道锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.

[2]肖亚宁，马占国，马继刚，等.沿空巷道三维锚索支护机理研究[J]，煤矿开采，2011，16（1）.