浅析数值模拟在煤矿巷道支护设计中的应用①

材料的力学行为。它采用显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，使该程序能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏。FLAC采用显式解法，可模拟任意非线性力学问题，适用于模拟连续介质非线性、大变形问题。

2 数值模拟步骤

采用数值模拟方法进行锚杆支护设计一般按以下步骤进行。

2.1 确定巷道的位置与布置方向

巷道位置与布置方向一般根据矿体条件、区段划分、采场布置等因素确定。如果能考虑地应力对巷道稳定性的影响，将十分有利于巷道维护；一方面，尽量将巷道布置在比较稳定的岩体中和应力降低区；另一方面，应将巷道布置在受力状态有利的方向。如当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于围岩稳定；当巷道轴线与最大水平主应力垂直，巷道受水平应力的影响最大，围岩稳定性最差。

2.2 确定巷道断面形状与尺寸

根据运输设备尺寸、通风、行人要求和巷道围岩变形预留量，设计合理的巷道断面形状与尺寸。

2.3 建立数值模型

根据巷道地质与生产条件，确定模型模拟范围、模型网格及边界条件，选择合理的模拟围岩和支护体的力学模型。

2.4 确定模拟方案

根据模拟对象确定模拟方案。一般包括不同巷道轴向与最大水平主应力方向夹角，不同锚杆预应力，不同锚杆支护密度，及锚索密度、长度、强度等支护方案。

2.5 模拟结果分析

分析巷道围岩变形与破坏的特征，地应力大小与方向、锚杆与锚索预应力、支护密度、直径、长度和强度等参数对支护效果的影响，通过多方案比较，最后选择有效、经济、便于施工的支护方案。

2.6 井下监测与信息反馈及修正设计

初始设计实施于井下后，必须进行全面、系统的监测，监测的目的是获取巷道围岩和锚杆的各种变形和受力信息，以便分析巷道的安全程度和修正初始设计。

获得监测数据以后，将实测数据与信息反馈指标比较，就可判断初始设计的合理性，必要时修正初始设计。

3 红石湾煤矿巷道支护设计数值模拟对比

红石湾煤矿501工作面回风巷设计走向长度1368 m，倾斜长度173 m，煤层厚度4.6 m，煤层倾角22°，巷道标高：+920～ +856 m，地面标高：123～1246 m，埋深：312～390 m。

3.1 新旧支护设计

原支护设计：普通锚杆支护，顶板6根锚杆，两帮各4根，排距0.8 m，顶锚杆直径φ20 mm，帮锚杆直径φ16 mm，顶锚杆长度2.5 m，帮锚杆长度1.6 m，锚索补强；

新支护设计：400号锚杆支护，顶板5根锚杆，两帮各4根，排距0.9 m，顶锚杆直径φ22 mm，帮锚杆直径φ20 mm，顶锚杆长度2.4 m，帮锚杆长度2.0 m，锚索补强。

3.2 新旧支护方案应力对比

如图1～图4所示。

4 工程应用

通过对比巷道位移量、应力分布（如图1～图5）可以看出，当采用设计支护方案进行支护时，由于锚杆材质的提高，锚杆的承载力大大增加，经受两次动压影响后锚杆受力大部分都没有超过屈服极限，巷道剪切破坏范围明显减小；由于新设计方案对预紧力的提高，使得巷道围岩塑性区明显减少，应力分布更加均匀，围岩变形得到有效控制。

5 结语

综合比较两种支护方式数值模拟计算结果，无论从节约成本考虑还是预应力扩散效果考虑，新支护方案都较原支护方案更为理想。

通过对比原支护方案和新支护方案的位移量、应力分布可以看出，当采用设计支护方案进行支护时，顶板下沉量减少14.6%，左帮移近量减少5%，右帮移近量减少11.4%；锚杆的承载力大大增加，锚杆受力大部分都没有超过屈服极限；

数值模拟法作为一种新的设计方法，经过不断的改进和发展，将逐步应用于实际。

参考文献

[1]何满潮.中国煤矿巷道锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.

[2]肖亚宁，马占国，马继刚，等.沿空巷道三维锚索支护机理研究[J]，煤矿开采，2011，16（1）.