巷道吸能支护与围岩协同作用仿真研究

陈雨韬

（辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000）

1 前言

随着煤炭开采深度的不断增加，开采环境变得越来越复杂，巷道支护问题日趋严峻。目前巷道支护主要有锚杆支护、锚索支护、喷射混凝土支护，其中锚杆、锚网支护等传统支护方法在提高巷道稳定性方面的效果较为明显，但仍然存在一些缺点，比如，支护结构容易变形失稳，对围岩的控制效果较差等。为解决传统支护存在的问题，吸能支护技术应运而生。吸能支护是通过吸收能量来保护围岩稳定，其主要是以柔性材料吸收巷道围岩能量为特征的一种支护方式。吸能支护的优点是可减少支护体发生失稳的可能性，且对围岩变形控制效果明显。随着深部开采的不断增加和地质条件的不断复杂，巷道围岩应力和变形受到的扰动越来越大，传统支护会因为应力集中导致失稳破坏发生。吸能支护利用柔性材料吸收能量来减少巷道围岩应力集中、减小变形从而控制巷道围岩失稳破坏。采用正交试验法，通过数值模拟试验研究不同吸能支护参数对巷道围岩应力、变形和塑性区的影响规律。为确定吸能支护与围岩协同作用的最佳参数组合，实现吸能支护与围岩协同作用最大化提供依据。

1.1 数值模型

采用ABAQUS 数值模拟软件，建立了以巷道为研究对象的数值模型，模型尺寸为8m×4m×5m，巷道顶板采用实体单元模拟，底板为连续弹性介质。采用莫尔-库仑准则，忽略巷道上覆岩层重量，支护材料的弹性模量取值100GPa。巷道两侧均为实体墙，底部和两帮为厚度为1m 的实体混凝土，顶板和两帮均为厚度为5m 的混凝土。

计算模型中主要考虑了以下因素：（1）巷道断面形状，采用正方形断面；（2）考虑了地应力和岩层自重的影响；（3）计算模型尺寸和边界条件。由于围岩强度较高，其弹性模量取值为100GPa。计算模型中采用了9 节点六面体单元（SOLID45）模拟围岩内部的接触关系。由于巷道的开挖使围岩内部产生应力集中现象，且巷道开挖后，围岩中会产生裂缝等损伤区域，所以在计算过程中设置了部分的损伤单元。

1.2 模拟方案

以巷道吸能支护参数为研究对象，采用FLAC3D 数值模拟软件进行建模，巷道顶板为均质实体围岩，底板为泥岩。在巷道布置过程中，需要考虑巷道开挖过程中的应力、位移及塑性区分布规律。由于采用了数值模拟软件FLAC3D，因此在数值模拟前，需要将模型进行网格划分。通过计算可得，在水平方向上的应力云，在垂直方向上的应力云。根据计算结果，确定了7 个正交试验方案。

正交试验方案是选取3 个水平的三因素三水平组合进行试验分析，因此选择5 个水平（a、b、c、d、e）进行正交试验。其中a 为3 个水平的顺序编号；b 为3个水平的最优组合；c 为3 个水平的最差组合；d 为3个水平的最次组合；e 为3 个水平的最好组合。

在数值模拟中采用单因素分析法，分别将3 个水平的吸能支护参数设置为：（a）顶板采用高强度预应力锚杆支护；（b）底板采用高强度预应力锚杆+长锚索支护；（c）巷道顶部采用高强预应力锚杆+长锚索+高强度预应力锚杆支护。通过计算得出吸能支护参数对巷道围岩应力、变形及塑性区分布规律的影响，得出了巷道吸能支护参数对巷道围岩稳定性的影响规律。在吸能支护参数确定后，分别将吸能支护参数设置为4 种水平（a、b、c、d）进行数值模拟分析。即：（a）吸能支护参数为4；（b）吸能支护参数为3；（c）吸能支护参数为2；（d）吸能支护参数为1。通过对比分析可知，4 种方案的巷道围岩应力分布规律、塑性区分布规律以及最大主应力差变化规律基本一致。

1.3 结果分析

分析结果表明，各因素对巷道围岩塑性区分布和最大主应力的影响顺序为：W＞H＞C＞D。吸能支护对巷道围岩塑性区分布影响很大，随着W 和H 的增大，巷道围岩塑性区范围逐渐增大；随着C 的增大，巷道围岩塑性区范围逐渐减小。在支护前后围岩塑性区面积比不变的情况下，W 和H 越大，塑性区面积越小；当W 和H 一定时，围岩塑性区面积随着C 的增加而逐渐减小。随着吸能支护W 和H 的增加，巷道顶板围岩最大主应力逐渐减小；当吸能支护W 和H 一定时，随着吸能支护W 和H 的增加，顶板围岩最大主应力先增大后减小；当吸能支护W 和H一定时，随着吸能支护W 和H 的增加，顶板围岩最大主应力先增大后减小。在影响巷道围岩塑性区分布的因素中，锚杆长度对巷道围岩塑性区分布影响较大。在其他条件不变的情况下，随着锚杆长度的增大，巷道围岩最大主应力先增大后减小；当锚杆长度一定时，随着锚杆长度的增加巷道围岩最大主应力先增大后减小。综合以上结果可知，当W 和H 一定时，吸能支护对巷道围岩塑性区分布影响很小。

2 工程概况

黄陵二号煤矿位于陕西省铜川市耀州区境内，设计能力为200 万吨/年，开拓方式为一翼直采一翼斜切，是黄陵矿区首个机械化开采的矿井，目前已形成了“三硬”煤柱条件下的采煤工艺，其中一翼为缓倾斜煤层，二、三翼为采区内的主采煤层。在该矿采掘过程中，由于受煤层地质条件变化及生产接续等因素影响，回风巷道经常发生变形破坏、严重失稳等问题。受上述因素影响，回风巷道支护难度大，施工效率低。

目前，煤矿巷道主要采用锚网喷、锚索支护，锚索支护强度大、质量高、施工方便，但存在施工效率低、巷道成型质量差等问题。为解决这些问题，黄陵二号煤矿在原有巷道支护工艺的基础上进行了升级改造。采用了一种新型的吸能支护形式：采用钢带作为吸能支护材料，其优点是钢带可以在巷道发生变形时及时承载并吸收能量，从而形成一种具有一定抗变形能力的吸能支撑结构，进而起到对巷道围岩的稳定作用。吸能支护使用一种新型的钢带作为吸能支护材料。采用数值模拟软件建立吸能支护数值模型对不同吸能支护参数下巷道围岩的应力、变形及塑性区进行研究分析。吸能支护系统主要由锚杆、钢带、锚索组成。

数值模拟采用FLAC3D 数值模拟软件进行建模和分析。根据现场实测数据发现该区域具有很强的软弱性，巷道围岩基本为泥岩、砂质泥岩和砂质粉砂岩等软弱岩层组成，属强不稳定岩石。采用了三种不同的支护形式：（1）锚杆+钢带+锚索支护；（2）锚杆+钢带+锚索支护；（3）钢带+锚索支护。通过数值模拟分析可知：在正常施工条件下，吸能支护系统不会对巷道围岩造成明显影响；在采空区进行回采作业时，巷道围岩将会产生较大变形；随着采掘的进行，围岩的变形量也会逐渐增加；当采空区的回采结束后，巷道围岩变形将会得到有效控制。

3 模型建立

（1）建模前准备。本文采用FLAC3D 软件建立模型，利用UDEC 数值模拟软件建立巷道模型，并进行数值模拟分析。使用FLAC3D软件对不同支护方案进行数值模拟，分析巷道吸能支护与围岩协同作用机理，对吸能支护方案进行优化，确定最佳的吸能支护参数。

（2）巷道模型建立。根据黄陵二号煤矿的实际情况，采用三维实体建模，并利用UDEC 数值模拟软件进行数值模拟分析。

（3）吸能支护参数确定。在数值模拟中，巷道吸能支护采用了两种方案：①用钢筋混凝土和吸能板组合的吸能支护方案；②在围岩中打锚杆、锚索组合的吸能支护方案。锚杆、锚索长度分别为500mm 和1200mm。钢筋混凝土厚度为100mm，吸能板厚度为50mm，吸能板端部和中部的厚度各为100mm。

（4）网格划分。本文巷道围岩采用强度折减系数法进行模拟，即取围岩强度折减系数β=1/（1-β）。该方法计算出的结果更接近于实际情况。

（5）开挖步骤。对巷道进行开挖，开挖方式采用线性开挖方式，即每隔10m 设置一道人工锚杆。

（6）计算参数取值。根据黄陵二号煤矿实际情况，巷道埋深为800m，采用弹性力学理论进行计算；巷道围岩应力取围岩表面最大应力值；采用强度折减系数β=1/（1-β）；模拟岩体中设置锚杆、锚索组合吸能支护方案。

3.1 模拟结果对比分析

在相同条件下，两种支护方案的巷道围岩位移、应力分布都是类似的，说明两种支护方案均能有效控制巷道围岩的变形，但不同的是，两种支护方案下的锚杆受力及锚索受力差别很大。在相同条件下，两种支护方案下的锚杆受力和锚索受力差别很大，这是因为在围岩中打锚杆、锚索时，由于围岩内部裂隙发育、应力集中等因素的影响，围岩中部分锚杆杆体已经失效或只有少部分杆体可以正常工作，而不能发挥其应有的作用。因此在围岩中打锚杆、锚索时要加强支护，防止发生支护失效或不支护而发生冒顶等事故。两种方案下的锚杆受力差别很大。在相同条件下，两种支护方案下的锚杆、锚索受力差别很大，说明在巷道围岩中打锚杆、锚索时要加强支护。

3.2 优化方案

（1）根据巷道围岩应力分布情况，确定优化方案。通过模拟不同锚杆、锚索长度时巷道围岩应力分布情况，并将不同锚杆、锚索长度下的巷道围岩应力分布情况进行比较分析，确定最佳的吸能支护方案。随着锚杆、锚索长度的增加，巷道围岩最大拉应力、最大压应力和最大剪应力均有增加。说明增加锚杆、锚索长度可以增加巷道围岩的承载能力。

（2）对不同支护方案进行模拟，对比分析。当巷道围岩内设置多道人工锚杆时，随着人工锚杆数量的增加，巷道围岩中的最大拉应力和最大压应力均在逐渐增加；当人工锚杆数量达到一定程度时，巷道围岩的最大拉应力和最大压应力不再变化。同时，巷道围岩中的最大拉应力和最大压应力均小于围岩内设置的锚杆、锚索数量。说明在吸能支护作用下，围岩的承载能力得到了进一步加强。

（3）采用数值模拟方法对优化后方案进行验证。在围岩中打吸能板后，对不同支护方案进行模拟。说明巷道围岩中设置多道人工锚杆后，随着人工锚杆支护作用的发挥，围岩中的最大拉应力、最大压应力均有所减小，表明吸能支护与围岩协同作用机理得到了进一步的证实。

3.3 优化结果

首先，从数值模拟结果来看，两种吸能支护方案在一定程度上提高了围岩的承载能力，使其达到了更好的平衡。其中，锚杆的支护效果较好，可以提高围岩的稳定性；锚索支护效果相对较差，但锚索的承载能力较强，可以将围岩中的应力向围岩内部转移。其次，从位移场分布情况来看，两种方案位移场分布基本一致。不同之处在于，锚杆方案在顶板上方形成了一个非常明显的能量区域；锚索方案顶板上方出现了两个能量区域，在顶板上方形成了一个能量较高的区域。这是由于锚索方案产生了大量能量向顶板传递；而锚杆方案产生的能量较少，围岩中主要产生能量为岩石内部。最后，从塑性区分布情况来看，两种支护方案塑性区分布均为三个主要区域，即顶板上方、两帮和底板区域。其中锚杆方案下围岩的塑性区主要分布在顶板上方，而锚索方案下围岩的塑性区主要分布在两帮和底板区域。因此，两种支护方案均可以有效地提高围岩的承载能力。

4 仿真结果及分析

4.1 不同吸能支护参数组合的应力场分布规律

在不同吸能支护参数组合下，围岩应力分布情况差异很大，变化规律不明显。采用相同的吸能支护参数时，随着吸能支护体弹性模量的增大，围岩应力呈现出先减小后增大的趋势；而吸能支护参数不同时，在一定范围内对围岩应力的影响不明显。另外，在相同吸能支护参数组合下，随着锚杆长度的增大，围岩应力和塑性区范围也随之增大。其中，采用相同锚杆长度时，围岩塑性区最大值出现在锚杆中部位置；采用不同锚杆长度时，围岩塑性区最大值出现在锚杆端部位置。这说明了在一定范围内锚固长度对巷道围岩塑性区有影响。

随着吸能支护参数的增加，巷道围岩应力逐渐减小；吸能支护参数不同时，巷道围岩应力变化趋势基本一致；在相同吸能支护参数组合下，随着锚杆长度的增大，巷道围岩应力逐渐减小。这说明在一定范围内增加锚杆长度对提高围岩强度和承载能力有显著作用。另外，在相同锚杆长度时，随着锚固长度的增大，巷道围岩应力呈先减小后增大趋势；在相同锚固长度时，随着吸能支护参数的增加，巷道围岩应力逐渐减小。这说明吸能支护参数对围岩位移场的影响程度和作用效果随着支护参数的不同而不同。这说明在一定范围内增加吸能支护参数可以减小围岩塑性区范围。

4.2 不同锚固长度对围岩变形和承载能力的影响

采用相同的吸能支护参数时，随着锚固长度的增大，巷道围岩的位移场、塑性区范围也随之增大；在相同锚固长度时，随着吸能支护参数的增加，巷道围岩的位移场减小；这说明在一定范围内，增加锚固长度对巷道围岩变形和承载能力有显著作用。在实际工程中，由于巷道围岩变形量很大，增加锚杆长度能有效地控制巷道变形，但随着锚固长度的增大，支护效果不明显。这是因为：在一定范围内增加锚固长度可以提高支护效果；但是，在一定范围内增加锚固长度会使支护成本提高，所以在实际工程中，应综合考虑技术可行性和经济性。当吸能支护体弹性模量一定时，随着吸能支护参数的增加，巷道围岩位移场、塑性区范围均呈增大趋势。

4.3 吸能支护与围岩协同作用分析

在相同条件下，吸能支护参数不同时，围岩位移场表现出明显差异，围岩位移场变化趋势也存在很大差异。其中在相同条件下，随着吸能支护参数的增加，围岩位移场呈逐渐减小的趋势；而在相同条件下，随着吸能支护参数的增加，围岩位移场变化趋势也随之变化。综上所述，采用不同的吸能支护参数组合时，围岩位移场和应力场变化规律基本一致；当吸能支护参数相同时，围岩位移场和应力场变化规律也基本一致。

4.4 锚杆支护与吸能支护参数优化

（1）基于对不同锚杆支护与吸能支护参数下，巷道围岩应力及塑性区分布规律的分析，在保证吸能支护效果的基础上，选择吸能支护参数为：锚杆长度为800mm、直径为12mm，长度为500mm、直径为9mm。

（2）在巷道顶板围岩中设置6 根锚杆，每根锚杆间距为400mm，根据上述的结果绘制出了巷道顶板围岩位移场及塑性区分布曲线图。

在巷道顶板未设置吸能支护时，顶板围岩位移值在588～722mm。当吸能支护参数为：锚杆长度为800mm、直径为12mm 时，顶板围岩位移量最小，在此基础上，又增加锚杆长度和直径进行对比分析。随着锚杆长度的增加，顶板位移量减小。当锚杆长度从800mm 增加到722mm 时，顶板位移量减小了48.4%；当锚杆长度从800mm 增加到722mm 时，顶板位移量减小了30.1%。说明在一定范围内增加锚杆长度可以降低巷道顶板位移量。在相同的吸能支护参数组合下，增加锚杆长度能够有效降低巷道顶板位移量。

4.5 数值模拟结果验证

通过对不同支护参数组合下，巷道围岩塑性区和最大主应力分布的数值模拟，得出了在相同条件下，不同支护参数组合对围岩位移场的影响规律。将模拟结果与实际巷道围岩位移场进行对比分析，验证了数值模拟结果的正确性。

在相同的支护参数组合下，巷道围岩的最大主应力呈线性分布，并且峰值出现在巷道两侧端部位置。随着支护参数的增加，巷道围岩应力分布逐渐趋于稳定；而吸能支护参数不同时，巷道围岩应力分布情况差异很大。这说明吸能支护与围岩协同作用效果随着锚固长度的增加而不同。另外，从图中可以看出：在相同支护参数组合下，吸能支护与围岩协同作用效果随吸能支护体弹性模量增大而减小。这说明在相同支护参数下，随着吸能支护体弹性模量增加，吸能支护与围岩协同作用效果呈线性减小。

5 结语

（1）吸能支护与围岩协同作用的最佳参数组合为：锚杆（索）直径d=13mm，锚杆间排距s=0.75m，树脂锚固剂强度fp=0.12MPa，树脂锚固剂长度L=4m。采用此参数组合对巷道进行支护，能够有效地控制巷道围岩的变形。

（2）吸能支护参数对围岩应力影响程度的大小关系为：树脂锚固剂强度fp＞锚杆（索）直径d＞锚杆间距s＞锚固剂长度L；吸能支护参数对围岩塑性区影响程度的大小关系为：树脂锚固剂强度fp＞锚杆（索）直径d＞锚固长度L。此参数组合下的巷道围岩应力较小，塑性区分布合理，实现了吸能支护与围岩协同作用的最大化。