松软煤层回风平巷高强U钢支护数值模拟研究

郜进海;吕兆恒;镐振;赵庆涛

【摘 要】依据永煤集团主焦矿软弱底板的典型地质条件，采用FLAC3D数值模拟的方法研究巷道U29高强度型钢支护下围岩的稳定性，通过与锚喷支护作对照研究，分析得出其应力、位移、塑性区等的变化规律．对U29型铜支护方式进行现场工业性试验，随巷道掘进布置测站，定期监测围岩变形情况及支架的受力状态．结果表明，U29型高强度型钢支架能有效控制围岩变形破坏，支架结构稳定可靠，为保证煤巷的稳定及选择合理的支护形式提供了理论和现场依据．%Based on the typical geological conditions of soft floor in ZhuJiao coal mine of Yongcheng Coal Group, the paper proposes that numerical simulation method with FLAC3D can be used to study the stability of surrounding rock with the U29 type high strength steel supporting the roadway compared with bolt-shotcrete supporting, and concludes the change law of stress, displacement and plastic region. During the field measurements to U29 type steel supporting, observation stations were set following the roadway driving , and deformation of surrounding rocks and forced state of supporting were inspected timely. The results show that the

deformation and failure of surrounding rocks are controlled efficiently by the U29 type high strength steel supporting, and its structure is stable and reliable which provides a theoretical and field basis for stabilization of goaf-side entry selection of rational supporting methods. 【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2012(031)003 【总页数】6页(P279-284)

【关键词】锚喷支护;U29型钢支护;松软煤层 【作 者】郜进海;吕兆恒;镐振;赵庆涛

【作者单位】河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000;河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作454000 【正文语种】中 文 【中图分类】TD353 0 引 言

由于FLAC3D数值模拟软件具有计算成本低、可多方案比较、设计周期短等优点，越来越广泛地被应用于巷道支护设计中[1]，本文针对主焦煤矿22101工作面回风巷提出2种支护方案，并进行数值优化．该矿22采区22101工作面沿煤层走向布置，上下平巷均沿煤层底板掘进．可采煤层二1煤层厚度3.0～5.76 m，倾角12°，煤层赋存稳定，直接底板为较厚的软弱泥岩，采用走向长壁放顶煤开

采．22101工作面运输平巷在初期掘进时，采用锚喷支护形式，片帮和底臌严重，混凝土喷层脱落严重，锚杆出现不同程度的拉断、剪断和弯曲断裂现象，托盘变形挠曲，螺帽出现松动，其锚固体失效导致预应力扩散效应差，致使锚杆主动支护作用不能发挥，整体支护刚度低，很大程度上变成被动支护，导致巷道失稳破坏．尤其当22101工作面开始回采时在采动引起的支承压力影响下巷道将更加难以维护

[2-4]．因此，22101工作面回风平巷掘进时，有必要设计强度更大、刚度更高的支护结构．设计采用U29型高强度支架可以克服锚喷支护的种种缺点，再辅以架后充填和喷浆等手段可以有效控制围岩变形[5]，可以提前使工作面进入回采阶段，经济效益显著，有一定推广意义． 1 模型构建 1.1 岩体参数

数值模拟过程中，岩体参数对结果的准确性有重要影响．根据地质力学评价分析岩体强度的各参数与实验室测得岩块强度参数间的强度折减关系，计算出各层岩体的强度参数(表1)．数值模拟采用基于弹塑性理论的摩尔-库伦模型，变形模式为大应变模式[6]．

表1 岩体强度参数Tab.1 Rock mass intensity parameters table岩性体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/(°)密度/(kg·m-3)中砂岩4.402. 1.260.75272 717砂质泥岩3.162.17 1.080.25242 6泥岩2.131.47 0.560.20222 612二1煤0.850.48 0.320.18211 447泥岩2.181.52 0.590.26202 633砂质泥岩2.141.47 0.650.35232 5中砂岩6.173.53 1.690.65262 717 1.2 边界条件

工作面埋深为532.5 m，考虑模型边界效应和巷道围岩应力影响带对巷道的影响[7]，确定模型尺寸：长(x)×高(y)×厚(z)=60 m×60 m×2 m，原点在巷道圆弧中心上．该数值模型采用平面应变模型，用ANSYS软件建模，然后导入到FLAC3D中运算；应力施加在模型上部边界，模型水平边界x，z方向的位移，y方向底边为固定约束．模型受力和约束如图1所示．区域表土层厚度平均85.5 m，基岩厚度447 m．表土层平均密度2 180 kg/m3，基岩平均密度2 600 kg/m3，则围岩应力为

σ=gρ1h1+gρ1h1=

10×2 180×85.5+10×2 600×447= 13.2×106=13.52 MPa. 1.3 支护参数

巷道采用U29型钢支架配平钢网、塑料网支护联合支护．支架间距600 mm，选用五节式支架． U钢棚支架和拉板拟采用梁单元模拟．为更好考察支护效果，参照22101运输巷设计锚喷支护，锚杆间排距800 mm，锚索间排距2.0 m，底角锚杆俯斜15°，喷层和锚网用壳单元模拟． 2 数值模拟结果 2.1 应力场分布规律

如图2所示，巷道开挖支护后，应力重新分布，在支护结构与围岩共同作用下将达到新的平衡状态，由巷道向外依次是应力降低区、应力增高区和原岩应力区[8]．比较图2中(a)和(b)可见，水平应力主要集中于巷道顶板和底板，集中区距顶底板距离分别为1.8,3.2 m．由此推断U刚支护不但能很好地控制顶板的破坏，其工作阻力也对底板产生了一定的保护效应；巷道顶底水平应力集中区域明显小于锚喷支护，而对于锚喷支护则几乎呈对称分布，集中区距顶底板均为4 m左右．

图3中(a)为水平应力在竖向位置上的变化曲线，其应力增高区最大水平应力为18.18 MPa，较锚喷支护高0.71 MPa，应力集中系数为1.35，集中应力具有局部效应，巷道顶部水平应力较大，故对支架顶部拉板和卡缆等连接件应加大其刚度．由极限平衡理论得知，应力降低区围岩强度明显减弱，形成破裂区，考察图4，U钢支护下应力降低区半径在巷道中心3.5 m范围内，而锚喷支护在约5 m范围内，可见U钢支护围岩破裂区较锚喷支护减小30 %，2种支护方式垂直应力集中

区都沿水平方向对称分布．图3中(b)为垂直应力随水平位置的变化曲线，可以得出应力峰值对于U钢支护为15.8～16.2 MPa，锚喷为16.61 MPa，应力集中区相比下减小25 %，而且锚喷支护在两帮底角处产生较大应力集中，由图4(b)可知峰值达到25～32.8 MPa，容易引起支护结构的塑性屈服破坏和围岩失稳．

2.2 位移场分布规律

如图5(a)，(b)为2种支护情况，水平位移分布沿岩(煤)层走向具有一定对称性．由图5(a)知采用U钢支护后，巷道左帮移近78.7 mm，右帮移近97.0 mm，两帮移近量为185.7 mm，变形主要分布在两帮底角，因此巷道掘进期间应着重监测围岩底角变形和U钢柱腿的承载情况并及时采取相应措施；如图5(b)所示，对于锚喷支护，左帮移近129.1 mm，右帮移近133.7 mm，两帮移近量达到262.8 mm，变形分布较均匀，两帮中部变形较大，超过了设计规定的200 mm移近量．由于煤岩层较软弱片帮预计会较为严重，喷层可能会脱落，锚杆可能会因为变形过大而导致托盘变形损坏，从而使预应力不能很好地传递到围岩深部，锚固体不能达到提高围岩整体强度的作用，给巷道的维护带来一定的困难．

如图6所示，巷道围岩垂直位移的分布沿岩(煤)层走向的垂线方向具有一定对称性．由图6(a)可知，采用U钢支护后，巷道顶板下沉量为45.4 mm，底板由于U钢在底角变形较大而承载强度减小，底臌移近量为84.6 mm，顶底板移近量为130.0 mm．因此，建议在实际巷道支护施工中将U钢棚腿插入底板深度适当加大，并灌浆浇注增大其承载能力，控制底臌量，提高U钢支架的整体刚度，有利于巷道和支架的稳定，增长支架使用寿命．如图6(b)所示，对于锚喷支护，顶底板位移均为100 mm左右，顶底板变形量达201.3 mm，锚杆可能会因为变形过

大，数值锚固剂与围岩出现剪切滑移而失效导致锚固力大大降低[9]，减弱锚杆锚索主动支护增强围岩强度的作用．

2.3 塑性区分布

如图7(a)所示，采用U钢支护结构时，巷道周边塑性区范围和巷道表面受拉单元的数量都大为减小，顶板圆弧上方受拉单元数目明显减少，底板受拉单元相对减少，但比例增大．左帮由于顶板U钢的支护作用，且其棚腿方向与最大主应力方向成角较小，故塑性区仅出现在周边，右帮逆向最大主应力，故塑性区范围较左帮稍大一些．同时，可以看出U钢支架所受最大拉力为7.8 MPa，小于其许用拉伸强度．从图7(b)可知，锚喷支护时，塑性区范围顶板上方6.0 m，底板下方5.8 m，两帮左侧2.9 m，右侧3.2 m，由于直接底较松软，底板塑性区的范围更大一些；巷道沿煤层底板布置，顶板受剪单元范围很大，底板主要受拉剪屈服．锚杆所受最大轴力为210.9 kN,接近其承载极限，同时注意每排有7根锚杆发生塑性屈服导致锚杆不能很好发挥其组合拱作用[10]，使锚杆几乎都处于围岩松动圈内[11]，致使锚固体可能失效，对于巷道的维护极为不利．

3 现场监测分析

22101工作面回风平巷选用U29型钢支架作永久支护，断面为圆弧拱形，如图8所示，设计规格为下净宽×净高=4.6 m×3.0 m，净断面面积10.4 m2，掘进断面面积12.1 m2．

巷道掘进期间每隔20 m布置一个测站监测巷道表面位移，进行为期60 d的现场观测，对各测站结果平均化处理得到位移随时间变化的曲线如图9所示，分析得出：

(1)U29型钢支护后，50 d内围岩变形趋于稳定，顶底板移近量为144.2 mm，比数值模拟结果大10%，这主要是由巷道底臌造成的，两帮移近量为1 mm，比数值结果稍大，这主要是由于U钢支架未能与巷道壁紧贴不能完全发挥其可缩性和高强度，未完全体现其让压和顶压的特性．

(2)巷道开掘初期30 d内围岩变形速度就急剧增加，其中顶底板移近速度由2.55 mm·d-1(10 d)→ 4.56 mm·d-1(20 d)→6.12 mm·d-1(28 d)，两帮移近速度由3.63 mm·d-1(10 d)→ 6.54 mm·d-1(20 d)→8.50 mm·d-1(25 d)．由于初期巷道掘进时处于上山巷道以及上区段工作面的支承压力增高区作用范围内，U钢支架起到让压作用，巷道围岩变形较快，后期巷道掘进到100 m以后，逐渐达到其工作阻力，阻止围岩的加速蠕变[12]，使其处于稳定蠕变阶段，变形速度逐渐放平缓，直至减小到0.08 mm·d-1，最终断面收敛率为8.25%，巷道变形趋于稳定，基本达到巷道围岩控制的目的． 4 结 论

(1)从数值模拟结果来看，相对于锚喷支护，U29型钢支护应力集中程度有所降低， 应力降低区的范围相比锚喷支护减小30%, 改善了围岩力学环境，提高了围岩整体强度；巷道顶底板移近量130.0 mm，两帮移近量185.7 mm，移近量小于200 mm，支护效果良好；巷道塑性区范围减少1/2，受剪屈服单元和受拉单元数量大为减小、比例有所降低，大大减少了围岩塑性变形量．

(2)从现场工业性试验来看，巷道变形趋于稳定后，顶底板移近量为144.2 mm，两帮移近量为1 mm，变形速度小于0.1 mm·d-1，坏架率小于1%，给22101工作面上下平巷运输、管路铺设、行人等提供安全的空间，能有效维护巷道和围岩的稳定，缩短掘进工期，具有很好的经济效益．

(3)巷道掘进要尽量确保巷道成形率，杜绝超挖欠挖，使其尽可能多地与煤壁面接

触，以减小结构内的应力集中.由于巷道底板为软弱泥岩，两帮和顶部为松软含大量裂隙的煤体，因此，有必要进行U钢支架壁后充填、喷浆，遇高应力破碎带时打锚杆锚索补强支护等这些主动支护方式以弥补U钢支架被动支护的缺点，形成主被动支护协调作用有机结合的支护系统． 参考文献：

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