基于FLAC3D数值模拟的煤矿掘进巷道优化支护设计

基于FLAC 3D数值模拟的煤矿掘进巷道

优化支护设计

摘要：煤矿掘进巷道的顶板支护是煤巷安全管理的重点，如何合理优化支护

设计，做好顶板安全管理是煤巷管理人员的工作重心。本文从笔者的工作实际出发，通过观察现场地质条件，制定优化支护设计技术措施，并优化支护设计方案，结合FLAC 3D数值模拟技术，设计出更为合理的支护方式。

关键词：FLAC 3D；数值模拟；支护设计

一、优化支护设计技术措施

依据某工作面地质力学评估与巷道围岩变形分析结果提出以下支护优化方向。

1、顶板采用预应力锚索全长锚固技术

由于顶板发生离层的位置主要在顶板软弱夹层，加上锚索预紧力大且延伸率低，使锚索受力高，易发生破断现象。

预应力锚索全长锚固技术，是在原中空注浆锚索的基础上进行了改进升级，

它采用专用的无机复合锚固材料和高压注浆设备进行施工。锚索先在迎头进行树

脂端锚[1]，不用封孔，张拉预紧施加预应力，滞后通过锚索的中空结构注入无机

复合锚固材料，当孔口流出无机锚固剂时停止注浆实现锚索的全长锚固。采用该

项支护技术的优点是顶板锚杆和锚索全部实现了全长锚固，锚杆、锚索同步承载，协调一致。

全长锚固锚索与端锚锚固锚索相比，提高了锚索的抗剪切能力和系统的刚性，消除了端锚锚索在非锚固段应力集中，将载荷进行了分散，也消除了锚索断裂弹

出的现象。围岩变形控制效果好，可降低锚索的支护密度，提高施工速度。

2、巷帮底角下扎45°锚杆控制底鼓

底角锚杆的可起到三方面的作用：

（1）底角锚杆将限制底角处岩层向巷道内发生水平位移，随着底板的松动

及变形，底板上的水平应力也将逐渐传递到底角锚杆上。这种情况下，底板岩石

受的应力较无底角锚杆时会小很多，从而底板岩石不易发生破坏。

（2）施工底角锚杆有利于底板水平应力向底板深部转移，起到一定的卸压

作用。施加45°的底角锚杆，底板岩层承担水平应力将降低，水平应力将向深部

转移，也有利于底板的稳定。

（3）施加底角锚杆有利于巷帮的稳定。巷道的底角应力集中，设置底角锚杆，像一根两端固定的梁对上方的岩体起到约束位移变形的作用，降低了围岩体

中的破坏应力[2]，从而保证整个巷道的稳定性。

二、优化支护设计方案

1、巷道顶板支护材料

顶板锚杆支护采用由无纵筋螺纹预应力高强锚杆、M5钢带和菱形金属网组成。金属网紧贴顶板沿巷道横向铺设，相邻两块金属网相互搭接，搭接宽度200mm，

并用14#铁丝连网，搭接处用钢带压茬。钢带沿巷道横向铺设，每个钢带上安装

7根锚杆。

（1）顶板锚杆

规格：φ22×2400 ；左旋无纵筋螺纹钢锚杆；

屈服强度≥400MPa，破断强度≥560MPa；延伸率≥15%。

（2）顶板预应力全长锚固锚索

规格：φ22×6300 ；

强度级别≥1860MPa，破断力≥400kN；延伸率≥3.5%。

（3）顶板锚杆用锚固剂：k2550一支、Z2880两支，抗压强度≥60MPa。

（4）顶板锚索用锚固剂：Z2880一支，抗压强度≥60MPa。

（5）预应力锚索全长锚固料（HS80）:1天抗压强度≥20MPa；3天抗压强度≥30MPa；28天抗压强度≥80MPa。

（6）M型钢带规格4800×5mm，屈服载荷≥200kN；菱形金属网采用10＃镀锌铁丝编制，规格为5200×1000mm，网孔规格50×50mm，金属网铁丝抗拉强度≥450MPa，伸长率≥12%；锚杆托盘形状要与M钢带配套，厚度不低于6mm。

（7）锚索托盘可采用300×300×16mm与150×150×16mm两块托盘叠加使用。

2、巷道两帮支护材料

（1）帮锚杆

规格：φ22×2400；左旋无纵筋螺纹钢锚杆；

屈服强度≥400MPa，破断强度≥560MPa；延伸率≥15%。

（2）帮锚杆用锚固剂：k2550 一支、Z2880一支，强度不低于60MPa。

（3）扁钢：2000×200×3mm，强度≥235MPa。帮锚杆托盘：150×150×8mm 蝶形托盘，托板承载力不小于与之配套锚杆杆体屈服力标准值的1.3倍。

（4）菱形金属网采用10＃铁丝编制，规格为3500×1000mm（上帮）和3000×1000mm(下帮)，网孔规格50×50mm，金属网铁丝抗拉强度≥450MPa，伸长率≥12%。

3、锚杆/锚索布置

顶板锚杆布置间排距750×800mm，肩窝锚杆安设角度与垂线成10°，其它锚杆与岩面垂直。钻孔直径φ32mm，孔深2320，误差0~30mm。采用一节k2550快速树脂药卷和两节Z2880中速树脂药卷。预紧力矩不低于150N·m，锚固力不低于120kN[3]。

锚索间排距1500×800mm，方向与岩面垂直，按“3-3-3”布置。钻孔直径

φ32mm，孔深设计6000±50mm。采用一节Z2880中速树脂药卷端锚，紧跟迎头

（掘进机后面）注稠浆至孔口漏浆，达到全长锚固，注浆滞后迎头不大于30m。

上帮锚杆间排距850×800mm，下帮间排距800×800mm，肩窝锚杆仰角10°，帮底角锚杆下扎45°，其余均穿过扁钢孔垂直帮部锚入。钻孔直径φ32mm，孔

深2320，误差0~30mm。锚固方式：树脂加长锚固，采用一节k2550快速树脂药

卷和一节Z2880中速树脂药卷。扭矩不低于120N·m,锚固力不低于80kN。金属

网紧贴煤帮横向铺设，相邻两块金属网相互搭接，搭接宽度200mm，搭接处用

14#铁丝连网钢带走向铺设并且压紧金属网。

4、当巷道底鼓严重时，卧底后底部裸露的巷帮要及时补打锚杆。

三、FLAC 3D数值模拟

通过数值模拟计算，可分析巷道围岩位移、应力及破坏范围分布，支护体受

力状况；不同因素对巷道围岩变形及破坏的影响,分析支护优化方案的可行性。

1、数值模型的构建

岩层参数：某运顺平均埋深-800m～-870m，11-2煤均厚2.0m，直接顶为

4.5m的砂质泥岩与0.5m的11-3煤，上覆岩层依次为1

5.8m老顶砂质泥岩、4.6m

粉砂岩；直接底为4.0m砂质泥岩，下覆岩层依次为0.6m的11-1煤、10.0m砂质

泥岩、0.5m煤线、砂质泥岩。

图4-1 某运顺数值模拟模型