范志胜程敏（新疆煤炭设计研究院有限责任公司）
摘要：论文通过应用数值分析软件FLAC3D，针对焦煤集团2130平硐斜风井巷道围岩设计支护参数并对其进行数值模拟实验，通过围岩破坏特征分析，表明所施行的锚网支护参数对围岩支护是有效的。
关键词：FLAC3D数值模拟支护设计
引言
2130平硐矿井隶属于新疆焦煤集团有限责任公司，现为宝钢集团新疆八一钢铁有限责任公司下属公司之一。矿区地层划分为北天山分区，伊林比尔干山小区及吐鲁番小区一部分，区内发育的地层有古生代志留系、石炭系、二叠系，这些地层组成了本区山间凹陷的基底，在此基础上又沉积了中生代三叠系、侏罗系和新生代的第三系、第四系地层，井田内上部煤层的顶、底板岩石抗压强度及其它力学指标均很差，各煤层的顶、底板岩石稳固性属不稳定的类别，工程地质条件属中等的类型。
斜风井全段在岩层中，共近40m长，巷道围岩坚硬易破碎，掘进过程中出现连续小范围冒顶条带，部区域围岩变形更为剧烈，导致井筒无法正常施工。因此，对斜风井部分区段支护参数进行设计，合理解决支护难题，为2130平硐矿所亟需。
本支护设计主要是针对斜风井冒顶区段进行的，其井筒断面为直墙半圆拱，净宽4800mm，净高4120mm，断面净面积为16.73m2，掘进面积为18.04m2，且巷道全在岩层中。根据现场实际情况，依据经典的塑性圈理论对巷道进行支护设计，然后分别应用FLAC3D对巷道开挖及支护过程划分为进行数值计算分析，并对设计的支护效果作出评价。
1斜风井井筒围岩塑性区范围确定
巷道顶底板均为较坚硬的浅灰色粉砂岩，底板为细沙岩。以下依据经典的塑性圈理论对巷道进行支护设计，然后应用数值计算程序（FLAC3D）对支护设计稳定性作出评价。
1.1井筒围岩塑性区范围的确定考虑本工程井筒的围岩状况，这里采用塑性圈理论确定围岩塑性区范围。
极限平衡下的塑性区半径：
式中：Rs—井筒塑性区半径（m）；Ro—井筒外接圆半径（m）；γ—上覆岩石平均容重（MN/m3）；H—井筒埋深（m）；C—围岩粘结力（MPa）；φ—围岩内摩擦角（°）；
根据现场及提供的设计资料，取γ=0.0527MN/m3，H=27m。经计算得：Rs粉砂岩＝3.83（m）
2斜风井支护设计参数
设计采用混凝土喷层、金属网、螺纹钢锚杆与锚索组成的锚杆、锚索支护方案。支护参数如下：①顶板锚杆：选用Φ18×2000mm螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚杆间排距800×800mm，但由于顶部岩层冒漏，可每隔两排倾斜锚杆布置一排竖直锚杆。②两帮锚杆：选用Φ18×2000mm螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚杆间排距800×800mm。③井筒底部：选用Φ18×2000mm螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚杆排距800mm，每排两根，角度为45°。④顶板锚索：选用Φ15.24×6500mm单股锚索，4卷树脂药卷端锚，预紧力大于100KN，锚索间排距1500×1600mm，每排在巷道顶板施加三根锚索。⑤金属网：钢筋网：Φ6mm的Q235圆钢制作，网格200×200mm，全断面挂网。⑥全断面混凝土喷层，喷层厚度为120mm。
3斜风井支护参数后井筒围岩稳定性分析
数值模拟计算结果表明：采用锚网支护后，巷道围岩应力场分布有所改善，进而增大了巷道周边围岩应力，减小了应力释放范围，提高了围岩承载能力，对于维持巷道的稳定性起到了积极作用。
锚网支护状态下巷道顶部最大破坏区厚度减小到2.5m，两帮破坏区厚度减小到约4m，顶板锚杆虽锚固长度比破坏区厚度小，但其能将锚固范围内的岩体形成一个似整体的锚固平衡拱结构，仍能起到较好的加固效果，再加上顶板锚索已经深入到破坏区范围外的稳定岩层，将下部的锚固平衡拱结构辅助悬吊于稳定岩层上，因此能对顶板起到较好的加固作用。巷道帮部破坏区在帮部锚杆的支护下破坏程度有所降低。
通过数值模拟可知，锚网支护时最大位移量约4.2cm，底板位移量为3.2cm，两帮位移量约为3.0cm，底板由于未采取支护措施，位移减小量不大。锚杆（索）轴力在支护过程中远小于其破断力，其中锚索轴力为113KN，锚杆轴力大小为37KN，也达到了理想的支护效果。
通过以上分析可得：该锚网支护方案能较好的控制巷道围岩塑性区的发展，也能有效控制巷道周边位移，减小巷道变形，对保证巷道的稳定性起到了较好的支护效果。
4结束语
在支护与不支护两种条件下巷道围岩情况的数值模拟，通过应力特征图、破坏场图和位移特征图分析对比，可以明确对2130平硐矿井采用锚网喷加锚索联合支护方式后，巷道破碎围岩得到了很好的控制，减轻了工人的劳动强度，改善了作业环境，取得了明显的技术效果，保证了安全生产。
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