【正文】 圖 4 無支護巷道垂直應力分布 9 圖 5 無支護巷道水平應力分布 （ 2）錨桿支護條件下巷道變形 錨桿支護可以顯著改善圍巖的應力分布狀 態(tài)，保持圍巖的完整性，提高圍巖自身的承載能力，減少巷道的變形和位移。本節(jié)采用如下錨桿支護參數對錨桿支護的作用進行了研究： 直徑 排距 頂錨桿長度 幫錨桿長度 錨索 頂錨桿數 幫錨桿數 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 7 4 圖 6 給出了無支護條件下巷道圍巖變形分布。從 6 可以看出巷道頂板中部變形最大，變形范圍達到 62~73mm，兩幫變形范圍為 50~63mm。巷道頂板和兩幫局部最大變形達到 。 對比有支護和無支護條件下巷道變形圖，可以看到錨桿支護可以控制巷道圍巖變形， 顯著減少圍巖位移。在本模型中，支護對于減少兩幫變形的效果非常顯著，錨桿支護后單側幫位移減少 15mm 左右。錨桿支護條件下頂板位移顯著減少，最大減少幅度達到 15mm 左右。 圖 7 給出了錨桿支護條件下巷道垂直應力分布，與無支護條件下垂直應力分布圖 4 相比，應力分布特征類似，但是巷道頂底板淺部圍巖中的低應力區(qū)范圍有明顯的減少。 圖 8 給出了錨桿支護條件下巷道水平應力分布，與無支護條件下水平應力分布 10 圖 5 相比，應力分布特征類似，但是巷道兩幫淺部圍巖中的水平低應力區(qū)范圍有明顯的的減少。 通過對錨桿支護和無支護條件下巷道圍巖應力 分布狀態(tài)對比可以發(fā)現，錨桿支護可以改善頂板和兩幫的應力分布狀態(tài)，保持圍巖的完整性，提高圍巖自身的承載能力，從而達到改善支護效果的作用。 圖 6 錨桿支護條件下巷道圍巖變形 11 圖 7 錨桿支護條件下巷道垂直應力分布 圖 8 錨桿支護條件下巷道水平應力分布 12 （ 3）頂板錨桿數目對巷道穩(wěn)定性的影響 頂板錨桿數目的多少不僅決定了錨桿支護強度的高低，而且能影響錨桿的支護剛度。因此改變增件錨桿數目能夠影響巷道的支護效果。 為了研究錨桿數目對巷道穩(wěn)定性的影響，采用如下三種不同頂板錨桿數目的支護參數進行模擬： 直 徑 排距 頂錨桿長度 幫錨桿長度 錨索 頂錨桿數 幫錨桿數 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 6 4 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 7 4 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 8 4 圖 11 分別給出了三種支護方案的模擬結果。 圖 9 頂板 6 根錨桿巷道變形圖 13 圖 10 頂板 7 根錨桿巷道變形圖 圖 11 頂板 8 根錨桿巷道變形圖 14 圖 11 分別給出了頂板錨桿為 8 時的位移分布 圖。從 3 個位移分布圖可以看出，位移分布特征基本相同，但位移量有比較明顯的變化。 6 根錨桿巷道變形最大，局部最大位移達 mm， 7 根錨桿巷道局部最大位移為 mm， 8 根錨桿巷道變形最小，局部最大位移為 mm。 模擬結果表明隨著錨桿數目的增加，巷道變形有所減少，隨著錨桿數目減少，巷道變形顯著增加。當錨桿增加到一定數目后，再增加錨桿對巷道變形減少幫助不大。 （ 4）錨桿排距對巷道穩(wěn)定性的影響 錨桿排距的大小決定了錨桿支護密度，即支護強度的高低，并且能影響錨桿支護的剛度。因此改變錨桿排距能夠影響巷道 的支護效果。 為了研究錨桿排距對巷道穩(wěn)定性的影響，采用如下三種不同排距的支護參數進行模擬： 直徑 排距 頂錨桿長度 幫錨桿長度 錨索 頂錨桿數 幫錨桿數 φ 22mm 800mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 7 4 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 7 4 φ 22mm 1200mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 7 4 圖 1 1 14 分別給出了三種支護方案的模擬結果。 圖 12 排距 800mm 巷道變形圖 15 圖 13 排距 1000mm 巷道變形圖 圖 14 排距 1200mm 巷道變形圖 16 圖 1 1 14 分別給出了排距 800mm、 1000mm、 1200mm 的位移分布圖。從3 個位移分布圖可以看出，位移分布特征基本相同，但位移量有比較明顯的變化。排距 800 mm 時巷道變形最小，局部最大位移達 mm，排距 1000mm 時巷道局部最大位移為 mm，排距 1200mm 時巷道變形最大，局部最大位移為 mm。 模擬結果表明隨著排距的增加，巷道變形明顯增大，隨著排距的減少，變形有所減少。當排距減少到一定程度后，減少排距對降低巷道變形作用幫助不 大。 （ 5）錨索對巷道穩(wěn)定性的影響 錨索是錨桿支護系統(tǒng)的重要補強構件，錨索不僅具有很高的承載能力，能夠有效改善支護效果，而且能夠降低錨桿支護密度，提高掘進速度，因此研究錨索對巷道穩(wěn)定性的影響非常必要。 為了研究錨索對巷道穩(wěn)定性的影響，采用如下兩種支護參數進行模擬： 直徑 排距 頂錨桿長度 幫錨桿長度 錨索 頂錨桿數 幫錨桿數 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 7 4 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 無 7 4 圖 1 16 分別給出了兩種支護方案的模擬 結果。 圖 15 有錨索巷道變形圖 17 圖 16 無錨索巷道變形圖 圖 1 16 分別給出了有錨索和無錨索巷道位移分布圖。從圖中可以看出，巷道變形特征基本相同，但無錨索巷道變形明顯大于有錨索巷道，有錨索巷道最大變形為 mm，無錨索巷道變形為 。 模擬結果表明，錨索支護對巷道穩(wěn)定性有明顯的影響，采用錨索作為補充支護方式可以明顯減少巷道變形。 輔運大巷數值模擬研究結論 （ 1）數值模擬研究表明改變錨桿數目、排距等對巷道的穩(wěn)定性都有明顯的影響。 （ 2）數值模擬研究結果表明錨索對巷 道的穩(wěn)定性有重要的影響，能明顯減少巷道圍巖的變形。 （ 3） 3DEC 數值模擬軟件雖然考慮了巖層中重要的分層結構面，但無法詳細研究巖體破壞后新形成的裂隙面對巖層的削弱作用，而這些巖體破壞后新形成的裂隙面會隨時間的推移發(fā)生滑動和弱化，表現為長期變形現象。目前還沒有軟件能夠詳細研究巖體破壞后的行為。因此本研究得到的變形量一般僅考慮了巷道開挖后短時間內的變形行為，沒有考慮動態(tài)載荷和蠕變的影響。因此不應該用現場實測的變形量等同于模擬的變形量。二者沒有可比性。 （ 4）在不同錨桿參數模擬過程中可以發(fā)現，各個方案模擬得到的變 形量差別一 18 般只有 2~20mm。這種差別只是表明巷道變形初期的差別，這種微小的差別會對巷道的長期穩(wěn)定性發(fā)揮重要的影響。因為如果巷道在支護初期能夠減少幾個毫米的變形，其裂隙的發(fā)展和弱化速度將被大大的減緩，在巷道以后服務期內，幾個毫米的差別可能發(fā)展為幾百個毫米。 （ 5）根據數值模擬結果和現場經驗進行優(yōu)選，最終確定支護參數為錨桿直徑（頂和幫）φ 22mm、排距 1000mm、錨桿長度（頂、幫） 2400mm、頂板 7 根錨桿、幫 4根錨桿、錨索支護參數為隔排 3 根布置。 回風大巷模擬方案 回風大巷埋深 420m 左右，地 應力較高，煤層強度較低，巷道服務時間長，因此需要采用強力錨桿 +錨索支護系統(tǒng)進行支護。為了得到最優(yōu)支護設計方案，采用了三維離散元軟件（ 3DEC）進行了數值模擬研究。 模擬方案如下： （ 1）無支護條件下的巷道變形和應力分布。 （ 2）采用錨桿支護條件下的巷道變形和應力分布。 （ 3）改變頂板錨桿數目，分別模擬了頂板錨桿為 5， 6， 7 根三種。 （ 4）改變錨桿排距，分別模擬了錨桿排距： 800mm， 1000mm， 1200m 三種情況。 （ 5）改變錨索，分別模擬了有錨索和無錨索兩種情況。 回風大巷數值模擬結果 （ 1）無支護條件下巷道圍巖變形和應力分布 圖 17 給出了無支護條件下巷道圍巖變形分布。從圖 17 可以看出巷道頂板和兩幫變形較大：其中頂板中間部分變形最大，達到 7581mm，巷道兩幫中部變形較大，變形范圍為 45~75mm。巷道局部最大變形達到 81mm。 圖 18 給出了無支護條件下巷道垂直應力分布。從垂直應力分布看，巷道頂板和底板垂直應力下降最為明顯，應力等值線呈拱形分布，應力下降區(qū)進入頂、底板深度很大，隨著進入頂底板深度增加，垂直應力恢復為正常水平；而巷道兩幫表面垂直應力下降明顯，低于正常水平，但進入兩幫較深部位，垂 直應力迅速升高，高于正常水平，隨著進入深度增加，兩幫垂直應力恢復正常水平。 圖 19 給出了無支護條件下巷道水平應力分布。從水平應力分布看，巷道兩幫水平應力下降區(qū)進入兩幫深度很大，而且兩幫表面水平應力下降劇烈，是潛在的拉深伸應力破壞區(qū)；巷道頂底板表面水平應力下降幅度較大，但隨著進入頂底板深度加深，水平應力逐漸升高，并出現一個水平應力升高區(qū)，然后又逐漸恢復正常水平。 19 圖 17 無支護巷道圍巖變形 圖 18 無支護巷道垂直應力分布 20 圖 19 無支護巷道水平應力分布 （ 2）錨桿支護條件下巷道變形 錨桿支 護可以顯著改善圍巖的應力分布狀態(tài)，保持圍巖的完整性，提高圍巖自身的承載能力，減少巷道的變形和位移。本節(jié)采用如下錨桿支護參數對錨桿支護的作用進行了研究。 直徑 排距 頂錨桿長度 幫錨桿長度 錨索 頂錨桿數 幫錨桿數 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 2 根 6 4 圖 20 給出了錨桿支護條件下巷道圍巖變形分布。從圖 20 可以看出巷道頂板中部變形最大，變形范圍達到 62~67mm，兩幫變形范圍為 50~63mm。巷道頂板和兩幫局部最大變形達到 。 對比有支護和無支護條件下巷道變形圖， 可以看到錨桿支護可以控制巷道圍巖變形，顯著減少圍巖位移。在本模型中，錨桿支護條件下頂板位移顯著減少，最大減少幅度達到 14mm 左右；錨桿支護顯著減少了巷道兩幫變形量，錨桿支護后單側幫位移減少 14mm 左右。 圖 21 給出了錨桿支護條件下巷道垂直應力分布，與無支護條件下垂直應力分布圖 18 相比，應力分布特征類似，但是巷道頂底板淺部圍巖中的垂直低應力區(qū)范圍有一定的減少。 圖 22 給出了錨桿支護條件下巷道水平應力分布，與無支護條件下水平應力分布 21 圖 19 相比，應力分布特征類似，但是巷道兩幫淺部圍巖中的水平低應力區(qū)范圍有一定的的 減少。 通過對錨桿支護和無支護條件下巷道圍巖應力分布狀態(tài)對比可以發(fā)現，錨桿支護可以改善頂板和兩幫的應力分布狀態(tài)，保持圍巖的完整性，提高圍巖自身的承載能力，從而達到改善支護效果的作用。 圖 20 錨桿支護條件下巷道圍巖變形 22 圖 21 錨桿支護條件下巷道垂直應力分布 圖 22 錨桿支護條件下巷道水平應力分布 23 （ 3）頂板錨桿數目對巷道穩(wěn)定性的影響 頂板錨桿數目的多少不僅決定了錨桿支護強度的高低，而且能影響錨桿的支護剛度。因此改變增件錨桿數目能夠影響巷道的支護效果。 為了研究錨桿數目對巷道穩(wěn)定性的影響， 采用如下三種不同頂板錨桿數目的支護參數進行模擬： 直徑 排距 頂錨桿長度 幫錨桿長度 錨索 頂錨桿數 幫錨桿數 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 2 根 5 4 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 2 根 6 4 φ 22mm 10