東海煤礦錨桿及注漿支護模擬

金珠鵬,孫廣義

(黑龍江科技學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027)

東海煤礦弧形底角巷道以其獨特的去直取圓的斷面設(shè)計思路，去除了直角拱形巷道中引起應(yīng)力集中的兩個直角底角，以兩段弧形代替，這種斷面形式有效減小了巷道底板應(yīng)力集中的范圍和強度，有利于控制巷道的穩(wěn)定性及底鼓[1]。在東海礦的地質(zhì)條件下(圍巖中有煤層)，并不是底角半徑越大應(yīng)力集中的范圍和程度就越小，根據(jù)大量的分析研究，有利于控制巷道穩(wěn)定性及底鼓變形量的底角半徑為1.9 m，1.0 m，1.3 m，綜合考慮施工的難易程度，巷道斷面的利用率，選擇底角半徑為1.0 m比較合適[2]。

同時新方案要求新掘巷道在施工過程中不但在巷道兩側(cè)底角設(shè)計成弧形，并打底角錨桿，以此來減小底角處由應(yīng)力集中所造成的損害和增加底角圍巖自身的承載能力，因此本文主要分析研究較為合理的控制底板變形的錨桿數(shù)量以及模擬研究巷道圍巖在注漿前后，巷道圍巖應(yīng)力分布情況，分析研究巷道圍巖注漿后應(yīng)力變化，并總結(jié)注漿支護機理[3]。本文采用ANSYS軟件進行模擬。

1 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 弧形底角巷道底角錨桿建模

根據(jù)對東海煤礦分析研究弧形底角巷道模型尺寸：底角半徑1.0 m，半圓拱半徑2m，直墻高度0.9 m，巷道寬4m。整體模型尺寸：30m×26m，模型范圍內(nèi)布置兩種巖體：即模型范圍內(nèi)只有巷道(粉砂巖)及其圍巖(粉細砂巖)兩種巖石，根據(jù)研究的需要，為東海煤礦深部巷道圍巖控制數(shù)值模擬提供巖石力學(xué)參數(shù)依據(jù)，結(jié)合實驗室對巖石力學(xué)參數(shù)的測定及數(shù)值模擬參數(shù)的轉(zhuǎn)換，得出力學(xué)參數(shù)見表1。

在巷道頂板施加3根2m錨桿情況下，分別對：巷道底板無支護情況，巷道底板施加2根2m錨桿情況，巷道底板施加4根2m錨桿情況，錨桿以施加約束的方式施加，進行模擬。巖層使用Plane42單元進行模擬[6]。

表1 換算后的參數(shù)表

1.2 注漿支護模擬建模

模擬地下1000 m處下山巷道圍巖在注漿支護條件下的應(yīng)力分布情況，按1.1中弧形底角巷道的尺寸及整體模型尺寸建立幾何模型。各巖層使用Plane42單元對圍巖注漿前后進行模擬。注漿支護實施方法：在注漿范圍內(nèi)(3m)，通過增加注漿范圍內(nèi)巖體的力學(xué)參數(shù)來模擬注漿效果[4]。通過改變注漿范圍內(nèi)的巖層的屬性來模擬注漿支護效果：注漿范圍內(nèi)的巖層的部分力學(xué)參數(shù)(包括彈性模量，粘聚力，內(nèi)摩擦角)提高一倍[5]。

2 加載求解過程

模擬原始應(yīng)力，施加豎向和水平荷載，在模型底部施加豎向位移約束。

埋深?。?000m。綜合考慮泊松比與構(gòu)造應(yīng)力的影響，巷道的應(yīng)力狀態(tài)取水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等的靜水壓力狀態(tài)。

即：σv=rH=25MPa

(2-1)

σh=σv=rH

(2-2)

式中：r為上覆巖石平均容重(KN/m3)；H為埋深(m)；σv為巷道圍巖垂直壓力(MPa)；σh為巷道圍巖水平壓力(MPa)

其數(shù)值為：25MPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

不同錨桿布置數(shù)值模擬結(jié)果見表2。

表2 不同錨桿布置模擬結(jié)果分析

4 分析結(jié)果總結(jié)

4.1 不同錨桿布置模擬結(jié)果分析

底板未施加錨桿時，巷道附近圍巖應(yīng)力較大，且底板的塑性應(yīng)變較大。底角附近施加兩根錨桿后，底板附近的應(yīng)力狀態(tài)有所改善，底板塑性應(yīng)變大幅減小。在底角施加四根錨桿后，錨桿附近應(yīng)力增大，底板附近的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到遠處，底板塑性應(yīng)變不大。綜合以上分析情況，在底角附近施加兩根錨桿能夠有效減小底板的塑性應(yīng)變，控制底鼓的發(fā)生。

4.2 巷道圍巖注漿后應(yīng)力變化分析

注漿后，對比注漿前，巷道附近圍巖的應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，巷道遠處模型范圍內(nèi)(30m×26m)巖體應(yīng)力普遍增高，這一特點在X方向應(yīng)力和豎直方向應(yīng)力都有顯著的體現(xiàn)，由此可以說明在向圍巖注漿后，注漿范圍內(nèi)圍巖的性質(zhì)有了明顯的改善：巖體的彈性模量，抗壓強度等力學(xué)參數(shù)變大了，導(dǎo)致原本在巷道附近的應(yīng)力集中向圍巖深處轉(zhuǎn)移了。注漿這種支護方式通過改善圍巖的力學(xué)參數(shù)(從而使應(yīng)力集中向圍巖深處發(fā)展)達到了支護的效果。

[1] 孫廣義，陳剛.深部巷道斷面優(yōu)化研究[J].煤炭工程， 2008(9):57-60.

[2] 孫廣義，陳剛.東海煤礦深部巷道支護技術(shù)[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2010(1):28-30.

[3] 康紅普. 深部煤巷錨桿支護技術(shù)的研究與實踐[J].煤礦開采，2008,13(1):28-29.

[4] 康紅普. 煤礦深部巷道錨桿支護理論與技術(shù)研究新進展[J].煤礦支護，2007(2):1-8.

[5] 劉紅崗. 賀永年，徐金海，等.深井煤巷鉆孔卸壓技術(shù)的數(shù)值模擬與工業(yè)試驗[J].煤炭學(xué)報，2007，32(1):33-37.

[6] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005, 24(16)：2803-2813.

[7] 郭文兵,李小雙.深部煤巖體高溫高圍壓下力學(xué)性質(zhì)的研究現(xiàn)狀與展望[J].河南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2007,26(1): 16-17.

[8] 何滿朝.深部開采工程巖石力學(xué)的現(xiàn)狀及其展望[C]∥中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會.第八次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集[M].北京:科學(xué)出版社, 2004: 88-94.