FLAC3D应用情况及锚杆（索）支护设计

FLAC3D应用情况及锚杆（索）支护设计

谢冬

淮南矿业集团张集煤矿安徽淮南232001

摘要：FLAC3D数值模拟技术作为巷道支护设计有效、可靠的手段之一，一直深受各大研究机构和高校推崇，但煤炭行业从业人员却很少涉猎，导致在巷道支护设计中缺乏手段，设计依据不充分，大多只能凭借经验或工程类比法进行粗略设计，手段单一，不能进行有效的针对性设计，更不能优化设计。为此，张集矿组织人员对FLAC3D进行了初步研究，对锚杆（索）支护设计提供了一定的依据。

关键词：FLAC3D；支护设计；效果

FLAC3D数值模拟技术相对来说企业对数值模拟计算是陌生的，所以在应用广度和深度方面和研究机构存在不小的差距。而FLAC3D模拟技术本身又是开放性的，不同的人，对于软件本身的理解程度、使用熟练程度和支护理论的理解也不同，导致使用效果也各不相同。

FLAC3D是一款功能强大的数值模拟软件，张集矿通过将近一年时间的不断尝试与摸索，逐渐从基本应用到专项应用，能够实现的模拟形式也越来越多，并能进行一些特殊情况的模拟。

1概述

由于我矿生产任务重，每年大概超过60条新巷道开工掘进，支护设计工作繁重，目前全矿的煤巷支护设计均是由工作室来做的，模拟工作量太大，不可能做到所有巷道都应用FLAC3D来进行辅助支护设计，只有在新采区、新水平、特殊工况、特殊结构的巷道中进行模拟设计，其他巷道应用工程类比和理论计算2种方法进行支护设计。

从2018年4月参加淮南矿业集团公司FLAC3D数值模拟技术集中培训以来，张集矿工作室即投入到对该技术的攻关应用当中，到7月份，在1312（3）轨顺锚杆索支护设计中进行了第一次实际应用，随后又在1115（1）运顺“三高一低”课题试验中进行了支护优化应用，并取得了很好的效果

目前，我矿正在开展“三高一低”课题试验工作，从排距、附件、锚杆索组合形式等方面进行优化，部分成果已开始应用（排距从800mm扩大到1000mm以上），今年试验将继续进行。

2全长和端头锚固的模拟结果对比

为了弄清楚不同的锚杆锚固形式的工作特性，通过简化模型进行定性模拟分析，分别从端头锚固、传统全长锚固、端头预紧力全长锚固三种锚固形式来进行模拟。

通过模拟分析发现，端头锚固和端头预紧力全长锚固，巷道顶板处于压应力状态，说明锚杆起到了很好的改善顶板围岩应力条件的作用。而传统全长锚固，预紧力不能有效传递到深部，导致在巷道顶板附近出现了严重的拉应力区，说明锚杆预紧力的施加，不但没起到改善顶板的作用，而且让顶板附近岩层的应力受到叠加破坏。

从锚杆内力来看，端头锚固和端头预紧力全长锚固的杆体内力基本一致，约等于预紧力大小，而传统全长锚固的杆体轴力，只是在很浅的末端约等于预紧力大小（500mm深度左右），深部杆体的轴力很小，传统全长锚固到1m深以后杆体轴力基本为0，也就是说，深部锚杆主动支护作用没有得到很好的发挥。而端锚和端头预紧力全长锚固在轴力上稍有差别，端头锚固自由端轴力基本为常数，而端头预紧力全长锚固，杆体受力如右图所示，呈现中间高两端低的特点，到锚固末端急剧下降的趋势，杆体受力更加合理，控制围岩变形能力也有所增强。

张集矿当前使用较为普遍的支护结构形式为：锚索（普遍6.3m）+锚杆（2.5m）组合支护，锚索--锚杆实际间距500mm左右，对于这样的支护强度是否合理？是否可以根据不同岩性结构进行优化？是否可以用4.3m中长锚索+2m锚杆进行优化支护？针对以上问题，进行了初步模拟分析。

长短锚索的模拟结果显示，巷道顶板压应力区分布大小不同，4.3m锚索顶板的受拉区域更加接近巷道顶板，顶板稳定岩层的厚度更薄，也就是说危险应力区离巷道顶板更加近了，导致巷道顶板容易受到破坏，相对于长锚索来说，整体支护结构更容易失稳。

但两种形式的巷道左右帮和底板的应力分布基本一致，因此，当锚索的长度与巷道顶板稳定岩层的位置重合时，长锚索和短锚索在支护作用上没有大的区别，只是长锚索的稳定区域更大而已。

从发挥被锚固体的自承载能力的角度来看，短锚索更能发挥浅部岩层的自承载能力，而长锚索的优势在于被锚固体的厚度增加了，从而增加了被锚固体的自稳能力。因此，在锚索长度的选择上，不一定非要选择长锚索，当巷道顶板有较好的稳定岩层，且结构较稳定时，短锚索的作用更加明显。

3支护设计中存在的突出问题

新的国标规范规定，对于新采区、新水平、特殊巷道等需要数值模拟的要用FLAC3D数值模拟，且至少要使用2种以上设计手段进行设计。目前，我们所使用的工程类比法、理论计算法、数值模拟法三种设计手段，都存在问题，比如：类比法使用不规范、计算法理论不完善、数值模拟法原始数据不准等等，导致我们在进行锚杆（索）支护设计时，基本依据就是错误的，所以设计出来的结果，自己心里都没底，最后只能盲目的加大安全系数，现场实际遇到一点“异常”情况，马上就变更加强支护，上各种手段，根本没有经过理性分析，造成巨大浪费不说，还给当前低下的掘进效率，再次雪上加霜。比如，现在大多数时候要求降低或优化支护强度的动力只是因为进尺慢，而不是依据支护强度最优原则。

4思考和探索

以上所述的三种支护设计方法，工程类比法由于使用条件限制，在一些情况下不能使用，而且它不具备优化设计能力。数值模拟法在之前讨论过，优点不必再强调。数字模型毕竟只是模型，模型不可能等同于实物，本身还是有缺陷的，这就是我们努力完善解决的方向。

巷道支护设计，首先就要解决研究对象问题，对于巷道支护来说，我们所要重视的研究对象应该是：巷道本身、巷道附近围岩体、不稳定围岩体、稳定围岩体、支护结构、动压和构造应力因素等。只有把这些因素充分考虑在内，并且找到其相互作用以及如何发挥作用的原理，才能设计出合理的支护参数。

以前我们在设计时，只重视锚索支护体的悬吊作用，而不重视围岩自承载力的作用，研究对象就不对，导致支护强度越来越大，而支护效果反而不尽理想。

通过分析我们发现，围岩自身强度和结构是巷道自稳能力的决定因素，例如，中等偏下岩性顶板，自承载能力将能发挥50%以上的作用，锚杆（索）支护只发挥不到一半的作用，换句话说我们现在的支护强度有巨大的优化空间。

而且，通过以上研究还发现，中等岩性顶板，在围岩未受破坏前，是可以维持自稳的（安全系数1.28），事实是巷道成巷一段时间后，会发生不同程度的破坏，有的甚至冒落了，原因之一就是支护的主动力F太小了（通常我们的预紧力不足10t）。

5应用结果

根据以上研究结论，张集矿开展了“三高一低”巷道支护技术试验课题，并在1115（1）运顺成功实践，目前根据试验结果，又在1312（3）运顺、1133（1）运顺、16138轨、运顺进行实际应用。

前期试验主要是从锚杆索的间排距来控制，把排距从800mm，增加到1000mm。主要改变的技术参数是锚杆（索）预紧力，锚杆预紧扭矩从180nm，提高到400nm，锚索预紧力从9t，提高到20t。

在不增加其他支出和劳动强度的前提下，把锚杆索排距从800mm增加到1000mm，仅此一项，每年就为张集矿减少20～30%左右的支护成本，并能提高单进40m/月，相当于每年能够多进尺至少4000m，两项总共的经济效益将超过5000万/年。