基于FLAC3D的破碎围岩巷道支护效果分析

雷卫锋

（陕西小保当矿业有限公司，陕西 神木 719300）

近年来，我国井工开采的煤矿不断向埋深更深、地质赋存条件更复杂的深部开采。

随着矿井开采深度的不断延伸，巷道围岩应力也在不断地增加。巷道开挖过程中，低强度的围岩因受到应力扰动而变得破碎，增加了巷道的支护难度[1]。目前，针对破碎围岩巷道支护的相关研究较少，且不同矿区地下岩层特性差异较大，影响破碎围岩支护方式选择的因素较多[2-3]。为此，本文用数值模拟的方法，分析旺盛煤矿下工作面巷道不同围岩支护方式的围岩控制效果，旨在为破碎围岩支护方式确定提供一定的参考。

1 工程背景

该矿区破碎围岩巷道埋深为500 m 左右，经地质勘探得到顶板上覆岩层中由上至下依次为砂岩、高岭石化的碎裂岩、黄岗岩、糜棱岩和灰岩。其中砂岩厚度为8 m，高岭石化的碎裂岩厚度为10 m，花岗岩厚度为12 m，糜棱岩和灰岩的厚度均为10 m。巷道形状为半圆拱形，其尺寸为3 900 mm×3 600 mm，半圆拱部分的半径R=2 700 mm。该矿区在开采前期采用了木支护、预制混凝土和槽钢支护等被动支护方式，但未取得理想的支护效果，并且采用以上方式进行支护后，围岩的变形量较大，出现支护失效的问题。

2 数值模拟

2.1 模型建立

考虑到该矿区内破碎围岩的强度较低，本文采用FLAC3D软件分别分析了锚杆支护、锚喷支护和锚喷网和锚索耦合支护三种方式下的围岩控制效果。模型尺寸为50 m×30 m×50 m，边界条件设置为上部载荷P=γH=0.028×500=14 MPa，左右采用Y 方向位移约束,前后采用X 方向位移约束，底部采用固定约束的方式。模型中所采用的巷道围岩的物理力学参数如表1所示，巷道断面图及构建完成后的模型如图1（a）、图1（b）所示。

图1 巷道断面图及模型

表1 围岩力学参数汇总

2.2 支护参数

本文主要针对锚杆支护、锚喷支护、锚喷网＋锚索耦合支护方式下的围岩控制效果进行分析，其支护参数如下：

（1）锚杆支护：间排距为1 000 mm，每排锚杆个数为9 根，距离底板1 000 mm。

（2）锚喷支护：锚杆间排距为1 000 mm，每排锚杆个数为9 根，距离底板1 000 mm。喷射混凝土的强度为C20，喷射厚度为50 mm。

（3）锚喷网＋锚索支护：锚杆间排距为1 000 mm，每排锚杆个数为8 根，距离底板1 000 mm；锚索长度为6 m，直径为21.5 mm，每排5 根；喷射混凝土的强度为C20，喷射厚度为50 mm。

本文所设计的锚杆均为树脂型锚杆，利用经验法并结合巷道断面形状确定锚杆尺寸为： 直径20 mm，长度为2 000 mm，间距为1 000 mm。三种支护方案中所用支护材料力学参数如表2、表3所示。

表2 锚杆力学参数汇总

表3 锚索及混凝土力学参数汇总

3 分析与讨论

利用FLAC3D软件分别对以上三种支护方式下破碎围岩巷道内的应力分布、 变形量以及塑性区范围进行了分析，其分析结果如图2～图4所示。

图2 不同支护方式下竖直方向应力分布云图

图4 不同支护方式下塑性区分布云图

如图2所示，三种支护方式下，巷道所受应力主要集中在顶板与底板位置，且表现为拉应力。相比于锚杆支护方式，后两者支护方式中顶板应力集中现象不明显，且两帮附近压应力影响范围也远小于锚杆支护方式。通过对比图2（b）和图2（c）可以发现，两种支护方式下在顶底板位置处的拉应力大小相差不大，但锚喷＋锚索支护方式下的构造应力影响范围要小于锚喷支护。由此可知，采用锚喷＋锚索支护可以较好地发挥主动支护的优势，从而缩小围岩内应力集中的影响范围。

如图3所示，采用锚杆支护方式时，顶、底板在竖直方向的位移量依次为113 mm 和125 mm；采用锚喷支护时，顶、 底板的位移量依次为90.6 mm 和115.8 mm；采用锚喷＋锚索耦合支护时，顶、底板的位移量仅为40.3 mm 和76.2 mm。采用锚喷＋锚索耦合支护方式可以较好地减小顶底板位移量。

图3 不同支护方式下垂直位移分布云图

如图4所示，采用锚杆支护时，巷道顶底板率先进入塑性区，之后塑性区范围转移至两帮以及两帮与顶底板交界处，并延伸至距离巷道壁10 m左右围岩内；采用锚喷支护时，巷道开挖初期的顶底板和两帮均会产生塑性变形，随着时间推移塑性区会向围岩深部转移，此时塑性区范围相比锚杆支护时明显减小；采用锚喷＋锚索耦合支护时，巷道围岩内部塑性区范围再次减小，但此时底板处出现拉伸应变的塑性区范围，随着时间的推移，塑性区会转移至底板与两帮交界处。由此可见，采用锚喷支护后可以使围岩处于相对稳定的支撑状态，但塑性区间较大；采用锚喷＋锚索耦合支护会缩小塑性区范围，可以较好地控制围岩变形。

4 结论

本文采用FLAC3D软件针对破碎围岩巷道在采用锚杆支护、锚喷支护、锚喷＋锚索耦合支护三种支护方式下的巷道位移、 应力分布及塑性区时空演变特征进行了分析研究，结果表明：

1）采用三种支护方式均会造成顶板与底板的应力集中现象，不同支护方式下两帮以及顶底板处的构造应力影响范围为锚喷＋锚索＜锚喷＜锚杆支护。

2）分别采用锚杆支护、锚喷支护以及锚喷＋锚索耦合支护三种支护方式时，锚杆支护顶底板位移量最大，锚喷＋锚索耦合支护时顶底板位移量最小，锚喷支护介于二者之间，由此可知采用锚喷＋锚索耦合支护可以较好地控制顶底板位移量。

3）锚杆支护方式会导致巷道两帮和顶底板交汇处处于较长时间的塑性变形状态，而采用锚喷支护可以使围岩处于相对稳定的支撑状态，但塑性区间较大； 采用锚喷＋锚索耦合支护会缩小塑性区范围，因此选用锚喷＋锚索耦合支护可以获得较好的支护效果。