矩形巷道支護(hù)預(yù)緊力對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

劉國(guó)慶，王 磊，梁 明

(神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)部，陜西 榆林 719300)

神木匯森涼水井煤礦3－1煤盤區(qū)南部巷道穿過(guò)風(fēng)化帶，頂?shù)装鍘r石結(jié)構(gòu)破碎，次生裂隙發(fā)育。設(shè)計(jì)巷道采用矩形斷面，錨索網(wǎng)支護(hù)。本文采用數(shù)值模擬的方法，研究不同預(yù)緊力條件下，矩形斷面巷道圍巖穩(wěn)定性的變化規(guī)律，從而獲得最佳支護(hù)參數(shù)，以達(dá)到減少原材料消耗、縮短工序時(shí)間、降低勞動(dòng)強(qiáng)度并提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 模型建立及參數(shù)選取

基于摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬錨桿索預(yù)緊力對(duì)矩形巷道穩(wěn)定性的影響，計(jì)算時(shí)，上邊界施加0.12 MPa荷載，其余邊界采用位移邊界。

模型的主要巖層分布及力學(xué)參數(shù)選取見表1。

通過(guò)數(shù)值模擬研究，不同預(yù)緊力下巷道圍巖的變形穩(wěn)定情況，確定最優(yōu)的錨桿索預(yù)緊力。根據(jù)涼水井煤礦對(duì)3－1煤巷道支護(hù)方案:采用d18 mm×2100 mm頂錨七七矩形布置，間排距為800 mm×800 mm，角錨桿傾角20°;6.5 m錨索1根，一二菱形布置，間排距 2.4 m ×1.6 m，每米 0.94 根，頂部掛鋼筋網(wǎng)，每米掛網(wǎng)5.4 m2。采用上述參數(shù)建立的支護(hù)模擬計(jì)算模型，對(duì)錨桿索施加不同的預(yù)緊力方案(見表2)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

表1 矩形巷道圍巖力學(xué)參數(shù)表

表2 錨桿與錨索預(yù)緊力匹配模擬方案表

1.2 不同預(yù)緊力方案計(jì)算模型分析

對(duì)方案1～4進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同預(yù)緊力條件下矩形斷面巷道圍巖穩(wěn)定性變化情況。錨桿索不同預(yù)緊力情況下，巷道圍巖典型應(yīng)力場(chǎng)分布見圖1，2，其破壞特征見圖3，圍巖變形規(guī)律見圖4。

由圖1可知，不同預(yù)緊力下巷道圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律相似，垂直應(yīng)力集中區(qū)域主要位于巷道兩幫。當(dāng)施加預(yù)緊力為20 kN時(shí)，最大垂直應(yīng)力為5.6 MPa;當(dāng)預(yù)緊力為50 kN時(shí)，最大垂直應(yīng)力為7.6 MPa。隨著預(yù)緊力增大，最大垂直應(yīng)力也隨之增大且應(yīng)力集中區(qū)域向巷道表面移近;隨著預(yù)緊力的增大，頂?shù)装宓膽?yīng)力集中區(qū)域減小，并且在巷道表面出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

圖2 不同預(yù)緊力下巷道圍巖水平應(yīng)力場(chǎng)分布圖

由圖2可知，隨著預(yù)緊力提高，巷道頂板圍巖水平應(yīng)力集中區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，壓應(yīng)力值也隨之增大，由于水平應(yīng)力對(duì)巷道頂?shù)装宓臄D壓作用，可以抑制其變形。由于巷道兩側(cè)煤體巖性相對(duì)較弱，兩幫集中分布著較大的水平應(yīng)力。隨著預(yù)緊力的增大，兩幫的水平應(yīng)力集中區(qū)域也明顯減小。

圖3 不同預(yù)緊力下巷道圍巖破壞特征圖

由圖3可知，預(yù)緊力在20 kN時(shí)，圍巖塑性區(qū)較大，最大可達(dá)到7 m;當(dāng)預(yù)緊力施加30 kN預(yù)緊力時(shí)，圍巖塑性區(qū)約5 m;當(dāng)施加預(yù)緊力超過(guò)40 kN時(shí)，頂板塑性區(qū)范圍明顯縮小，控制在2 m以下，塑性破壞僅發(fā)生在巷道表面。巷道兩側(cè)為煤層，巖性較差，塑性區(qū)比頂板塑性區(qū)較大。說(shuō)明施加足夠的預(yù)緊力對(duì)于保持圍巖的整體性非常重要。

圖4 不同預(yù)緊力下圍巖變形特征圖

由圖4a)可知，頂板下沉量隨著預(yù)緊力的提高而減小。預(yù)緊力在20 kN增加到40 kN時(shí)，頂板下沉量減少了10 cm，變化效果顯著，繼續(xù)增加預(yù)緊力，預(yù)緊力對(duì)頂板變形的影響較小。

由圖4b)可知，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為20 kN時(shí)，巷道兩幫內(nèi)斂嚴(yán)重，最大位移量達(dá)到25 cm;當(dāng)增大到30 kN，位移量減小到15 cm;而預(yù)緊力超過(guò)40 kN時(shí)，兩幫位移量已控制在8 cm以下。

由圖4c)可知，錨桿預(yù)緊力大小對(duì)巷道底鼓影響較小，但隨著預(yù)緊力的增大，巷道底鼓量仍有一定程度減小。而當(dāng)預(yù)緊力大于50 kN時(shí)，底板變形量控制在12 cm。

綜上所述，對(duì)不同預(yù)緊力下巷道圍巖變形及破壞特征統(tǒng)計(jì)見表2。

2 結(jié)論

1)錨桿預(yù)緊力的大小影響巷道圍巖穩(wěn)定性。預(yù)緊力小于20 kN時(shí)，圍巖變形較大，塑性破壞區(qū)范圍達(dá)到7 m，錨桿未發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的作用;當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到40 kN及以上時(shí)，塑性區(qū)范圍控制在2.5 m內(nèi)，主動(dòng)支護(hù)作用顯著。

表2 不同預(yù)緊力條件下圍巖變形及破壞特征對(duì)比表

2)預(yù)緊力40 kN、50 kN時(shí)，對(duì)巷道頂板下沉、底鼓和兩幫位移的控制效果相差較小?？紤]經(jīng)濟(jì)、工效因素，建議3－1煤矩形斷面巷道錨桿、錨索支護(hù)預(yù)緊力分別按40 kN、120 kN施加。

［1］郭 頌.水平應(yīng)力－對(duì)采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性的新認(rèn)識(shí)［J］.煤礦開采，1998，5(4):14－17.

［2］鄭雨天，朱浮聲.預(yù)應(yīng)力錨桿體系－錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的新階段［J］.礦山壓力與頂板管理，1995，12(1):2－7.

［3］侯朝炯，郭勵(lì)生，勾攀峰，等.煤巷錨桿支護(hù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999:31－32.

［4］張 農(nóng)，高明仕，許興亮.煤巷預(yù)拉力支護(hù)體系及其工程應(yīng)用［J］.礦山壓力與頂板管理，2002，19(4):1－4.