基于拉格朗日有限差分数值模拟的巷道掘进技术研究

王峰

摘 要：针对大断面煤矿巷道快速掘进，在保障作业安全性的基础上，通过评价干扰掘进进度的各项原因，针对影响进度的关键要素逐一进行解决，以保证采掘接续作业能够顺利进行。

关键词：大断面；快速；掘进；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.106

国内的煤矿工程大多属于地下开采，煤矿巷道的环境比较特殊、巷道围岩应力多变，使得在采矿掘进作业以及维修方面有难度，巷道掘进的成本大、工程量大、不够安全。如今煤矿掘进已经实现33%的机械化作业，大幅增加了巷道的掘进量、月进尺以及年进尺的长度。随着煤炭等基础能源的需求量增加，大断面巷道的快速掘进会越来越多，必须通过采用新思路、新方法、新技术，增加大断面巷道的施工进度，促进煤炭企业的长远发展[1]。

1 FLAC3D数值模型

采用拉格朗日有限差分数值模拟的方法构建数学模型，通过求解连带方程来模拟工程中应力的变化。该模型能够有效地应用在岩土工程和采矿工程中，清晰地显示工程中各处岩石的受力情况。在施工过程中该模型的应用比较广泛，无论是时间上还是空间上，巷道围岩的应力情况都能够明确显示，针对干扰巷道稳定性的各种因子，制定解决方案。与测量、理论和物理模拟相比，数值模型能通过模拟岩体的各种结构特性，如边值、构造面等，来模拟采矿工程的提前量，预测可能发生的情况。由于模拟的结果精确有效，该模型已经应用到了包括采矿业在内的各种岩土工程中。

根据设计要求试验工作面运输顺槽断面选为矩形，毛宽 5.6m，毛高4.4m，凈宽5.4m，净高4.3m，开口位置为工作面运输顺槽运输联络巷处。为保证模拟结果能够观测到巷道开挖及不同锚杆预应力条件下巷道围岩应力的扩散状态，模型大小应在各方向均大于巷道开挖的影响半径（一般为巷道直径的 3～5 倍范围）。同时，考虑到计算机的运算速度，特将模拟范围设定为长×宽×高=60m×5m×35.5m 的区域，划分网格为90×20×61个，共生成109800个区域以及 118482 个节点。

2 分析锚杆的支护参数

2.1 确定锚杆的最佳直径

巷道围岩的控制程度与锚杆提供给围岩的支护阻力有关，该阻力与锚杆的直径又有很大关系[3]。在锚杆的长度和材料固定不变时，锚杆的直径成为影响锚杆支护阻力大小的直接因素。对支护的相关理论进行综述，并结合实际的实验数据发现：锚杆半径的平方与支护的阻力以及支护系统的强度成正比例的关系。此外，施工也会影响锚固力的大小，通过对锚杆直径和钻孔进行匹配发现，如果直径和钻孔的参数接近的话，安装会存在难度；但是当数据差距较大时，锚杆工作的阻力也会有所降低。

本文研究以试验煤层顶板为例，为强度较低的砂质泥岩。按照围岩的地质情况以及试验工作面运输顺槽的现场维护条件，将试验工作面运输顺槽顶板的锚杆明确为高强度的Φ20mm左旋螺纹钢；两帮锚杆为高强度的Φ18mm玻璃钢。分析地质条件以及工作面的数据后发现，锚杆的直径参数保持不变时，影响支护的主要因素为锚杆的间排距和长度。FLAC3D数值模型可以模拟锚杆的间排距和长度，模拟的结果作为参考，用来优化试验工作面运输顺槽的支护参数。

2.2 确定锚杆的最佳长度

研究锚杆的最佳长度时，将锚杆的间排距设定为1000×1000，锚杆的直径设定为Φ20mm，帮锚杆的直径设定为Φ18mm，此外也设定好其它的参数和影响因素。在此基础上在改变锚杆长度的过程中观察巷道的稳定性，最稳定的状态即为锚杆的最佳长度。借鉴临近辅运上山的支护效果，来微调选取的锚杆长度，并制定多种不同锚杆长度的支护方案。

数值模拟结果显示分为三种应力场，分别为垂直应力分布、锚固应力场以及顶帮锚杆围岩应力场。由于锚杆会影响对顶板应力场的观测，为了更精确系统地观测、对比分析，上图中没显示锚杆。根据垂直应力分布图可以看出，这几个方案的应力分布存在规律相似的情况，水平方向上的应力降低区发展深度较小，应力升高区比较明显，垂直方向上的应力降低区发展深度较大，但是不存在应力升高区。根据锚固应力场图可以看出，在对锚杆施加预紧力后，巷道和锚杆成为一个统一的整体，锚杆对巷道的支护力度增加，应力区在围岩附近呈“倒凹”型，锚杆长度增加后，压应力区的厚度和范围也有所增大，扩大锚杆的作用范围后增加了锚杆的支护程度，控制了巷道围岩的变形程度。同时，锚杆中上部和两锚杆之间中部围岩的压应力逐渐减小。可以得出预紧力一定时，锚杆的长度越大，预应力的作用越小，锚杆的支护作用越弱。所以，要想维持较好的支护效果，应当增加施加的预应力，并适当地降低锚杆的长度[3-4]。

3 结论

（1）在设定预紧力的情况下，通过设定顶锚杆的不同长度、模拟帮锚杆的配对方式发现，锚杆的长度越大，预应力的作用越小，锚杆的支护作用越弱。要想维持较好的支护效果，应当增加施加的预应力，并适当地降低锚杆的长度。通过观测围岩的变形程度发现，为了维持锚杆对巷道支护的最佳作用，需要减小顶板的下沉量，因此微调增加了顶锚杆的长度，将顶锚杆的最佳长度确定为 2.4m，预估经济效益以及对围岩的控制效果后，将帮锚杆的最佳长度确定为2.0m。

（2）锚杆的轴向应力分布呈现出规律相似的三个阶段，分别为高应力阶段、应力急剧减小阶段以及小应力阶段。从1.4m位置到锚杆端部，锚杆的轴向力数值已经很小，但仍然有减小的趋势，在顶锚杆2.4m、帮锚杆2.0m位置以后，轴向力基本减小为零，可见锚杆的长度到达一定程度后，过长的那段对锚固已经不起作用。

参考文献：

[1]高云峰，江小军.浅谈我国煤矿巷道掘进装备技术[J].煤炭工程，2010（10）：110-112.

[2]陈稼轩.深井复杂条件下底板岩巷预应力锚杆支护技术[J].煤炭科学技术，2006（04）：22-24.

[3]徐东强，钱鸣高.不同地应力条件下锚杆支护机制数值模拟分析[C].第四届全国地下冶金矿山新技术学术研讨会论文集，2001（11）：35-37.

[4]宋德彰，孙钧.锚喷支护力学机理的研究[J].岩石力学与工程学报，1991（02）：197-204.