刘希亮，孙飞跃,郭佳奇，武文龙,代彦兵

(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000；2.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000)

0 引 言

近年来，随着我国煤炭不断开采，浅部煤炭资源日益枯竭，煤炭开采由浅部逐渐转入深部[1-4]。矿井进入深部开采后，围岩变形破坏严重且持续时间长，支护难度加大，生产成本急剧增加，巷道支护时需要考虑充分的让压变形空间。

近年来，学者们针对深部巷道围岩钢架支护开展了大量研究，并取得了丰富的研究成果：王其洲等[5]采用数值模拟和现场实测相结合的方法，探讨了深部巷道在动压影响下的U型钢架-锚索协同支护技术，通过锚索的锚固作用使U型钢架承载能力得以加强，从而减缓了巷道围岩的突变变形；殷帅峰等[6]采用理论分析、数值模拟和现场试验对高预紧力钢架锚索与单体锚索平行布置支护的组成结构、控制机理、应力场分布规律进行了系统研究，使巷道围岩变形得以控制；张国锋等[7]为了解决深部软岩巷道高地应力、强流变和大变形等问题，提出全圆钢架支护技术；魏臻等[8]采用现场调研、数值模拟和井下试验等研究方法，发现在大断面煤巷掘进过程中锚梁钢架支护结构能够有效减缓围岩变形；G.Gunter等[9]通过现场实测对以往围岩-支护作用关系的研究成果进行总体评述，找出了支护材料强度随时间的变化规律；余伟健等[10]采用现场测试和力学试验，提出裂隙岩体巷道大变形的联合支护技术；赵万里等[11]以现场工程试验为研究背景，提出强力锚注支护技术，解决了高应力下软岩巷道大变形问题；李为腾等[12]对数值模拟计算软件FLAC3D进行二次开发，通过构件压弯试验和巷道拱架支护实例，得出一种精准有效的巷道拱架支护方法；何满潮等[13]采用数值模拟和理论分析相结合的方法，对巷道6种支护形式进行了验证分析，为巷道断面尺寸的确定提供了依据。总之，不同条件下深部巷道支护形式多种多样。为了使巷道围岩的整体支护效果达到最佳，进一步减少人力、财力和物力浪费，有必要对深部巷道组合钢架支护体系进行研究，以便更好地控制深部巷道围岩变形，保障矿井安全生产。

本文采用数值模拟对“锚杆+锚索+喷混凝土+金属网+组合钢架”组合钢架合理支护间距进行分析，继而对比分析深部巷道在组合钢架支护下围岩应力分布和变形特征、塑性区扩展范围等，以期确定最佳的组合钢架合理支护间距。

1 数值计算模型

1.1 模型建立

赵固二矿井田位于河南省新乡市与焦作市交界地带，井田总体走向NW，倾向SW。由于地层构造影响，井田内构造以断裂为主，揭露断层全部为正断层，局部发育小幅度次级褶曲。11071工作面回风巷所处地层主要由灰岩、泥岩、炭质泥岩、砂岩、砂质泥岩与粗中细粒砂岩等岩石组成。老顶为厚0.94～19.85 m，平均7.46 m的粗中细粒砂岩。主采煤层为黑色粉状及粒状，性脆，煤质好，结构简单，少部分钻孔含厚0.10～0.43 m的夹矸，全区发育，厚度大，约6.5 m。底板以砂岩、砂质泥岩为主，平均厚度为12.84 m。主要巷道平均埋深约700 m，断面为马蹄形，宽5.4 m，高4.3 m。

为了保证模拟结果的真实可靠，依据圣维南原理和巷道开挖影响范围，同时充分考虑赵固二矿现场具体围岩水文地质条件，以及为了消除模拟计算所产生的边界效应，建立的计算模型横向长40 m、竖向高30 m、纵向宽5 m，即左右边界约为3.2倍巷道总跨度、上下边界约为3倍巷道总高度。数值模型和巷道断面尺寸分别如图1～2所示。该计算模型的上边界为应力约束边界条件，施加24.93 MPa(现场实测)垂直载荷，计算模型的下边界(z方向)、前后(y方向)和左右(x方向)边界均为位移约束边界(x,y,z方向见图1)。在数值计算中，模型本构关系采用Mohr-Coulomb屈服准则[14]。

图1 数值模型

图2 巷道断面示意(单位：mm)

1.2 材料力学参数

围岩的物理力学参数按照该井田的地质条件和煤岩物理力学测试结果折算选取，如表1所示，支护结构的力学参数如表2所示。模拟研究时，假设岩石为均质、各向同性的连续体，符合Mohr-Coulomb强度准则，材料参数满足Mohr-Coulomb本构模型关系。

表1 岩体物理力学参数

表2 支护结构的力学参数

1.3 数值模拟方案

根据巷道围岩地质条件，巷道支护形式采用锚杆+锚索+喷混凝土+金属网+组合钢架。巷道支护形式和数值模拟支护模型分别如图3～4所示(图4中1～5分别为锚杆、锚索、喷混凝土、金属网和组合钢架)。模拟中采用beam单元模拟组合钢架(箍子设置为刚性连接)、cable单元模拟锚杆与锚索、liner单元模拟混凝土喷层、shell单元模拟金属网。结合该井田水文地质条件，钢架组合形式为连三空一，支护方案如表3所示。根据支护方案建立组合钢架支护模型，如图5所示，钢架连接处为钢架非让压间距、未连接处为钢架让压间距，钢架间距0.20 m，连三空一。

图3 巷道支护形式示意

图4 数值模拟支护模型

图5 组合钢架支护模型

表3 支护方案

1.4 数据采集点布置

模拟计算中16个监测点布置在钢架上，钢架和周围岩体共同变形，对巷道拱肩、边墙部位的位移进行监测，如图6所示。为了分析巷道开挖后围岩应力与位移的变化特征，在巷道顶底板和帮部的垂直方向分别设置了4条监测线，如图7所示。

图6 监测点布置示意

图7 巷道监测线布置示意

2 数值模拟结果与分析

2.1 围岩变形分析

巷道围岩拱顶和拱底最大变形曲线分别如图8～9所示。巷道的拱顶变形量为负,代表下沉，拱底变形量为正,代表隆起。

由图8～9可知，围岩变形量随钢架支护间距增大而加大。方案1的拱顶和拱底处变形量最小，分别为178.5，190.3 mm，方案6的拱顶和拱底处变形量最大，分别为194.7，207.4 mm。由图8～9还可知，方案2～6比方案1的拱顶处变形量分别增大了1.68%,2.91%,4.31%,5.43%,6.61%，比在拱底处的变形量分别增大了1.54%,2.26%,3.60%,4.88%,6.68%。不同支护方案下，巷道顶底板和两帮位移监测数据分别如图10～11所示(监测线见图7)。

图8 巷道拱顶最大变形曲线

图9 巷道拱底最大变形曲线

由图10可知，不同支护方案下巷道顶底板位移分布规律大致相同，6种支护方案下巷道顶板的最大变形量分别为162.4，173.4，185.5，196.3，206.6，216.8 mm，底板最大变形量分别为216.6，228.6，238.4，249.2，259.7，269.9 mm。由图10还可看出，巷道顶板处方案1比方案2～6的变形量分别减小了11.0，23.1，33.9，44.2，54.4 mm，巷道底板处方案1比方案2～6的变形量分别减小了12.0，21.8，32.6，43.1，53.3 mm。

图10 巷道顶底板位移变化曲线

由图11可知，不同支护方案下巷道两帮位移基本呈对称分布，随着距巷道中心距离增加，围岩两帮的位移变形量逐渐减小，并趋近于0。

图11 巷道两帮位移变化曲线

总之，在相同钢架组合形式下，钢架支护间距为0.2 m时，围岩产生的变形量最小，还可以减弱围岩的应力集中现象，提高岩体强度，充分发挥岩体的自身承载能力。巷道顶底板位移、拱肩以及边墙监测数据显示，不同钢架支护间距下，围岩变形增幅不大，且增长速率平缓。从控制围岩变形，提升施工机械化水平，加快巷道支护工作效率，降低工人劳动强度以及让压支护效果等方面综合考虑，得出最佳支护方案为方案1。

巷道拱肩竖直位移监测曲线如图12所示，边墙水平位移曲线如图13所示(监测点位置见图6)。由拱肩和边墙位移监测曲线可得，方案6在巷道拱肩和边墙位置的竖直和水平方向变形最大，竖直方向变形量为289.6 mm、水平方向变形量为71.7 mm，方案1在巷道拱肩和边墙位置的竖直和水平方向变形最小，竖直方向变形量为245.3 mm、水平方向变形量为49.8 mm。

图12 巷道拱肩竖直位移监测曲线

图13 巷道边墙水平位移监测曲线

竖直和水平方向位移监测曲线显示，方案1优于其他5种方案。

2.2 围岩应力分析

巷道顶底板和两帮应力变化曲线如图14～15所示。由图14可知，巷道顶底板的应力随着距巷道中线距离的增加而逐渐减小，并逐渐趋于原岩应力状态，顶板的垂直应力作用范围略大于底板的垂直应力作用范围。虽然6种支护方案下巷道在顶底板产生的最大压应力差别不大，但相比之下，方案1比方案6的巷道顶底板所产生最大压应力分别降低了2.21%和2.17%。由图15可知，巷道左右两帮的应力分布大致对称分布，两帮水平应力对巷道影响较大的范围约为距离巷道中线左右两侧14 m处，离巷道中线越远，变化越不明显。6种支护方案下，围岩两帮应力曲线的增加速率大致相同，达到峰值之后逐渐趋于平缓，峰值位置相同，数值却不同。对比分析两帮应力曲线可知，不同支护方案下，方案1和方案6在施工过程中对围岩产生的应力值分别为最小与最大。因此在深部巷道施工时需加强硐室两帮支护，从而减少两帮围岩移近量。

图15 巷道两帮应力变化曲线

巷道围岩应力曲线显示，采用方案1可以提高岩体强度，充分发挥岩体的承载能力，使围岩更加趋于稳定。

6种支护方案下的围岩垂直应力和水平应力等值线云图分别如图16～17所示。由图16分析可知，采用方案1和方案6施工时，巷道顶底板处产生的应力影响范围分别为最小和最大(等值线为5，6的区域)。由图17分析可知，巷道的顶底板和两帮处都有应力集中现象，其中，方案6产生的应力集中较轻，方案1产生的应力集中较重(等值线为6，7，8的区域)。总之，在施工过程中应防止巷道围岩因应力集中而发生破坏。

图16 垂直应力等值线云图

图17 水平应力等值线云图

2.3 组合钢架受力分析

深部巷道通过组合钢架支护，将钢架抗弯与抗扭部位通过结构设计转化为抗拉、抗压或抗剪性能，实现支护一体化与荷载均匀化，从而达到加强支护，减轻工作面劳动强度的目的[15-17]。

2.3.1 组合钢架支护对巷道围岩变形特征影响

采用组合钢架不仅能对围岩进行快速支护，而且还可以对围岩早期变形进行较好地抑制，最大限度提高围岩自身承载能力，使围岩形成承载拱圈。6种支护方案下组合钢架位移云图如图18所示。由图18可知，钢架变形最大的部位主要集中在硐室边墙、拱底和拱顶处。6种支护方案下，组合钢架最大下沉量分别为27.95，29.12，29.95，30.91，31.04，31.14 mm。采用方案1时，组合钢架的最大下沉量比方案2～6的分别减少了4.02%，6.71%，9.59%，9.97%，10.25%。

图18 组合钢架位移云图(单位：m)

2.3.2 组合钢架支护对巷道围岩应力分布影响

6种支护方案下组合钢架应力云图如图19所示。由图19可知，组合钢架的集中应力出现在巷道帮角、拱肩和顶部。6种支护方案下，组合钢架最大压应力分别为1.17，1.29，1.38，1.48，1.52，1.52 GPa。随钢架支护间距增大，应力值差别不大。

图19 组合钢架应力分布云图(单位：Pa)

综上所述，采用支护方案1时，根据钢架让压间距与非让压间距在组合支护形式下的整体耦合作用，提升施工机械化水平，减少工人劳动强度，节约巷道支护成本，支护效果最佳。

2.3.3 组合钢架支护对巷道围岩塑性区影响

6种支护方案的塑性区分布云图如图20所示。采用FLAC3D内嵌的FISH语言对6种支护方案的塑性区体积进行统计，分别为292.87,303.71,317.18,329.74,335.52,340.15 m3。从围岩塑性区体积看，在高地应力作用下开挖硐室，方案1对岩体的剪切破坏最弱。

图20 不同方案巷道围岩塑性区云图

不同支护方案下巷道围岩塑性区最大深度如表4所示。由表4可知，围岩两帮的塑性破坏区范围比顶部和底部的塑性破坏区范围大；6种支护方案塑性区范围相对较小，并且分布较为均匀。在巷道顶底板和两帮处，支护方案1～6的塑性区最大深度依次增加，差值不大；支护方案4～6的塑性区最大深度几乎相同。

表4 不同支护方案下巷道围岩塑性区最大深度

3 结 论

(1)在相同地应力、围岩特性和钢架组合支护下，不同钢架支护间距对巷道围岩变形影响差别较大,因而，巷道支护设计应优先考虑组合钢架的支护间距。

(2)分析巷道围岩变形特征可知，在相同组合钢架支护下，支护间距为0.20 m时，巷道围岩产生的变形量最小，但围岩在不同钢架支护间距下产生的变形量差别不大。

(3)分析巷道围岩应力变化可知，在巷道拱顶、拱底、两帮与底板交接部位均易出现应力集中现象，这与大量工程实际相吻合，且方案1～6产生的巷道顶部和底板最大压应力分别降低了2.21%和2.17%。

(4)分析组合钢架位移和应力云图可知，组合钢架变形主要集中在边墙、拱底和拱顶部位，组合钢架应力集中部位主要分布在拱肩、顶部和帮角处。