孔立平

（阳泉市南庄煤炭集团有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

矿山开采塌陷是采矿安全问题中的主要问题，如何避免此类塌陷事故的发生是煤矿行业的主流研究方向[1]。煤矿巷道围岩结构复杂，难以估计其结构强度，若打围加固过程中处理不善，很容易导致岩石塌陷。因此目前应用较为广泛的锚杆支护技术存在不可控因素，应用不当就可能导致重大的安全事故。所以如何兼顾安全与生产效益、如何确保支护系统的可靠性等问题的研究具有重要意义[2-3]。

1 FLAC 软件简介

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）为ITASCA 开发制作的仿真分析软件，其主要优势在于能够模拟土质、岩土以及其他一些塑性较强特殊材料的力学特征，具有比有限元更强的非线性问题处理能力。在外力作用下，塑性材料可能产生材料破碎，存在大范围的位移。当材料发生屈服流动时，单元仍然能够很好地模拟与塑性材料相同的变化特征，应用于岩石的应力应变分析十分有利[4]。

与此同时，FLAC 采用显示拉格朗日法来计算结构力与形变之间的关系，不同于常规有限元计算，有赖于结构总刚度矩阵的特点，该软件的计算算法对模型的建模要求、网格划分质量都不会有太高的要求。由于无须求解阶数巨大的矩阵参数，所以在模型求解过程中具有占用内存小、计算速度快等特点[5]。可以实现对非线性大变形、结构大扭曲，以及岩土特有的一些特性进行模拟，如：地下渗流、岩土沉降、锚杆安置、混凝土回填、洞室边坡开挖等，尤其是对于锚杆、锚绳的快速设置，大大简化问题的研究难度。输出的结果包括主应力坐标系的分布向量σx、σy、τxy，以及位移Ux，Uy提取锚杆所受的载荷等参数。能够模拟出煤矿挖掘过程对岩土位移、变形的影响，可以借此更加直观了解到围岩的特征，对分析巷道结构稳定性具有重要作用[6]。

2 模型的建立与分析

2.1 模型的建立

基于青东煤矿某机巷组合支护系统建立模型，从求解模型的角度综合考虑岩层塑性力学特性和弹性力学特性，本模型的尺寸设置为实际工程结构尺寸水平方向的3～4 倍，竖直方向的2～3 倍，模拟自然状态下煤层倾斜角度，倾斜角设置为11°，根据实际情况与模型特性，建立100 m×40 m 的分析模型，其中上层施加的围岩应力P 根据厚度500 m 深度计算得到，如图1 所示。

图1 模型示意图

2.2 边界条件的设定

由于2 煤下部处于巷道下底部，不会产生竖直向上的位移，因此在模型处理的时候将底部设置为固定约束。模型的左右边界X 方向的位移固定，即模型的X 方向的边界不会发生沿着X 方向的位移。

通常情况下，上层岩土中没有关键层时，可以将上部围岩对模型上边的压力视为均布载荷。但在本模型中，在巷道的施工中对上层围岩的破坏很小，所以上层围岩所形成的压力可以简化为均布载荷。由此可以计算压力P 值P=ρgh。式中：ρ 为围岩密度，取2 500 kg/m3；g 为重力加速度，取9.83 m/s2；h 为围岩高度，取600 m。将数值代入公式得P=1.475×107Pa。

2.3 网格划分与材料设置

为更合理地研究支护系统对巷道的影响，根据青东煤矿提供的该矿所处位置的地质资料，以及支护系统锚杆、锚绳支护时的特性，综合选定模型所涉及的参数。先对模型中的具体参数做如下说明：煤层3 m，再向上紧接着0.5 m 的泥岩。如上页图1 中1煤为1.5 m，8.0 m 的中粒砂岩，5 m 泥岩，粉砂岩14 m。模型竖直方向按实际岩层分层划分。

模型大部分区域使用0.5 mm×0.5 mm 的单元块，两侧使用区域使用1.0 mm×0.5 mm的单元，对采用区的网格进行处理是注意网格划分质量，模型共计划分得到12 510 个单元。而各个岩层所对应的材料参数见表1 所示。

表1 液压支架参数

3 巷道支护模型分析

为了对比说明支护系统对巷道应力应变的改善情况，设置两个煤层巷道模型，即有巷道支护系统和无巷道支护系统。设无支护时巷道开挖后应力分析模型为模型A，有支护时巷道模型为模型B。在计算过程中，首先应计算原始状态下岩层的应力初值，得到机巷开挖前的应力分布。再根据采空区工作面回采2 煤时的岩层应力，选择合适的、合理的机巷初始挖掘位置，最后设置模型A、模型B，计算得到加支护系统后地岩层应力的影响。

3.1 无支护巷道模型分析

在岩层分析过程中，由于垂直方向应力，即σy的值远远大于水平方向σy的值，所以σy的分布能够反映整体总应力的分布情况，所以在模型A、模型B 的分析过程中主要参考垂直方向应力。如图2 所示为无支护系统时，巷道垂向应力分布情况。

图2 无支护时巷道垂直应力（Pa）

根据应力计算结果，与初始未开挖前岩层应力相比，机巷的开挖使得区域垂直应力重构，使得应力集中增加的区域往左右两侧转移。巷道左右两侧4～5.5 m 范围内应力值在20～26 MPa 左右，往内走，左右两侧0～4 m 的范围内，应力值在6～9 MPa 区间内，再向两侧拓宽，应力分布左右显著不同。左侧高应力区区域大于右侧，应力值也更大，左侧应力值范围为25～31 MPa。由图2 可知，在巷道附件上下、左右应力分布均较小，基本处于0～3.5 MPa 范围内。

3.2 有支护巷道模型分析

建立模型B，即在模型A 的基础对机巷道壁面增设锚杆支护系统。支护系统采用的锚杆规格：M20 mm×2 400 mm，锚索梁规格为Φ14.3 m×5.5 m。桁架锚索的预紧力设定为65 kN，锚索张紧状态下，对帮部的水平作用力0.35 MPa 左右，因此在模型中可以设定均布载荷P 的值为0.35 MPa，如图3 所示。

图3 巷道支护系统建模

分析求解模型B 可以得到在支护系统添加后，巷道周围应力状分布况，模型B 计算得到结果如图4 所示。

图4 有支护时巷道垂直应力（Pa）

图4 结算结果显示，在距离巷道左右两侧3～5 m范围内，应力最大，应力值在30～35 MPa 范围内，在巷道左右两侧0～3 m 范围内应力较小，应力值范围为10～15 MPa。与没有支护系统巷道模型计算结果相比，加支护系统后，整体应力分布情况分布趋于平衡。巷道两侧高应力区范围缩小，地应力区范围缩小，即高应力区的应力由支护系统合理传递分配到应力较小的区域，由此达到平衡状态，结果表明支护系统对围岩的应力状态的调整起了很大作用。

4 对巷道的施工建议

1）根据仿真模型的计算结果显示，在巷道施加支护系统对其整体稳定性、应力分布情况有比较大的改善，但是在控制岩土位移量时不佳，因此在实际巷道支护时应考虑对岩土特性进行分析，应采取更加有效的强支护措施。

2）锚杆支护结构在安装时，为确保支护效果，应对锚杆施加足够的预紧力，对于巷道的支护起重要作用。

3）本模型计算时，对某些参数设定做了简化处理，在实际巷道支护问题的研究过程应更加充分，采取更为安全、保守的支护措施。

5 结论

1）FLAC 软件对于巷道支护系统的分析具有较大优势，可以在软件中直接设定锚杆、岩土层材料参数，对于巷道支护方案设计、施工均具有较大的参考意义。

2）计算结果表明，安装支护系统可有效缓解巷道周围岩层压力分布情况。压力分布更加区域均布，特别是对于巷道周围较近的塑性区岩层改善较为明显。

3）采用支护系统后，对于围岩的应力分布状况改善明显，尤其是改善了围岩拉伸应力区的分布情况，模型B 计算结果显示巷道周围基本没有出现较大范围的拉伸应力区。