基于FLAC3D的运输平巷支护技术研究

李 刚

(山西潞安集团 潞宁孟家窑煤业有限公司，山西 忻州 036700)

随着煤矿开采技术与开采设备的不断革新进步，工作面开采速度越来越快，为满足工作面衔接要求，需提前对下一工作面回采巷道进行布置，巷道支护设计一般采用工程类比法、理论分析法、数值模拟等方法[1-2]，然而采用单一巷道支护设计方法易对工程实际情况考虑不足[3].

针对单一巷道支护设计方法存在的不足，以潞宁孟家窑煤矿即将布置的工作面运输平巷为研究背景，通过地质资料调查、巷道围岩等级确定、数值模拟方法确定巷道支护方案，并通过现场实测检验支护方案效果。

1 工程地质概况

山西潞宁孟家窑矿位于山西省忻州市宁武县，准回采工作面水平标高为+960～+1 020 m，工作面平均埋深350 m，煤层厚度4 m，倾角为3°～9°，属近水平煤层，煤层顶板为细砂岩、砂质泥岩，底板为泥岩、粉砂岩。所需支护巷道为运输平巷，布置在煤层中，巷道为矩形，尺寸为长4 m×高3.2 m. 影响巷道支护安全的地质情况主要为顶板含水砂岩，该层主要水量为多年沉积水，因此巷道掘进支护过程中，需要提前进行探掘。巷道布置图见图1.

图1 巷道布置图

2 巷道围岩等级确定及支护参数选择

为确定巷道围岩等级，在巷道两帮及顶底板钻孔取芯，制成圆柱形试件，运用WED-50型压力试验机对试件进行单轴压缩试验，研究巷道两帮及顶底板围岩力学特性。巷道两帮及顶底板岩石力学参数见表1.

经过现场调查、实验室试验获得运输平巷围岩等级确定相关指标：顶板岩石单轴抗压强度16.6 MPa；底板岩石单轴抗压强度15.8 MPa；两帮煤层单轴抗压强度5.82 MPa；巷道埋深350 m；护巷煤柱宽度50 m；采动影响系数1.56；围岩完整性指数15. 根据围岩等级分类指标[4]，得出：巷道埋深350 m、护巷煤柱宽度50 m时，巷道围岩等级为Ⅱ类。锚杆支护技术规范推荐的Ⅱ类巷道支护基本形式为[5]：锚杆+网+锚索+钢带；支护参数为：d20～24 mm锚杆，锚杆长度2.0～2.4 m，锚杆排间距0.8～1.0 m.

表1 巷道两帮及顶底板岩石力学参数表

3 数值模拟研究

3.1 数值模型建立

为研究运输平巷的支护效果，运用有限差分软件FLAC3D对巷道支护效果进行分析。建立的数值模拟模型长60 m×宽50 m×高28 m，模型共有45 600个单元，共包含51 909个网络节点，模型上部边界为自由边界，上覆岩层以载荷形式加载，为8.325 MPa，下部边界限制X、Y、Z方向位移，四周边界限制水平方向位移。建立模型所需的岩石力学参数见表1，所建立的数值模型图见图2.

图2 数值模型图

根据现场实际情况与巷道围岩等级，以及相应的锚杆支护参数，设计巷道支护方案。锚杆长度选择2.4 m，可将锚杆锚固到比较坚硬的细砂岩顶板中；锚索长度选择7.5 m，可将锚索锚固到比较坚硬的细砂岩顶板中。运输平巷支护设计图见图3.

顶板锚索：d21.6 mm×7 500 mm，预紧力为20 kN，锚索排间距为1.6 m×1.6 m.

图3 运输平巷支护设计图

顶板锚杆：d22 mm×2 400 mm，预紧力为40 kN，锚杆排间距为0.8 m×0.8 m，顶角处锚杆与垂直方向夹角为20°.

两帮锚杆：d22 mm×2 400 mm，预紧力为30 kN，锚杆排间距为0.8 m×0.8 m.

3.2 模拟结果分析

为研究运输平巷支护效果，分别模拟巷道有无支护两种情况下巷道围岩塑性区范围、围岩应力，以及巷道顶底板及两帮移近量。模拟完成后，对模拟结果进行分析，两种情况下的巷道围岩破坏情况见图4.

图4 有无支护情况下的围岩破坏情况图

由图4可以看出：巷道未支护时，巷道顶底板破坏深度为1.5 m，两帮破坏深度为2 m，巷道破坏严重；当采取支护时，巷道顶底板破坏深度为1 m，两帮破坏深度为1 m，巷道破坏深度比未支护时有明显减小，说明支护效果明显。

两种情况下的围岩垂直应力分布见图5. 由图5可以看出：巷道支护后，支护范围内的巷道顶板最大垂直应力为5.25 MPa，比不支护时的巷道顶板最大应力6.5 MPa减小了19.2%；支护范围内的巷道两帮最大水平应力为3.5 MPa，比不支护时的巷道两帮最大水平应力6.5 MPa减小了46.2%. 说明巷道支护后支护范围内的应力由于锚杆锚索的作用转移到了距离巷道较远处，保持了巷道的稳定。

图5 有无支护情况下的围岩应力分布图

两种情况下的围岩顶底板及两帮移近量见图6. 由图6可以看出：巷道支护时，巷道顶底板移近量为0.13 m，比不支护时的巷道顶底板移近量0.4 m减小了67.5%；巷道支护时，巷道两帮移近量为0.12 m，比不支护时的巷道顶底板移近量0.6 m减小了80%. 支护后巷道变形不明显，支护效果显著。

图6 有无支护情况下的围岩顶底板及两帮移近量图

4 现场实测

为验证巷道支护效果，在巷道掘进支护施工期到巷道变形稳定期(共计45天)对巷道顶底板及两帮移近量进行监测，监测数据见图7.

图7 巷道顶底板及两帮移近量曲线图

由图7可以看出：0～28天为巷道急剧变形期，29～45天为巷道变形稳定期；巷道顶底板移近量为0.16 m，两帮移近量为0.14 m. 巷道变形较小，巷道处于稳定状态，说明巷道支护效果较好。

5 结 论

1) 经现场地质调查与实验室力学测试试验结合得出，准回采工作面运输平巷围岩等级属于Ⅱ类围岩。

2) 巷道选用“锚索+锚杆+网+钢带”联合支护方案，数值模拟得出巷道围岩塑性区与顶底板及两帮移近量较小，支护控制效果明显。

3) 经现场监测得出，巷道围岩变形较小，巷道处于稳定状态，说明巷道支护效果较好。