基于ANSYS的深部復(fù)合頂板穩(wěn)定性影響因素分析

徐 盼 吳德義

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

基于ANSYS的深部復(fù)合頂板穩(wěn)定性影響因素分析

徐 盼 吳德義

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

以淮南礦區(qū)口孜東礦11-2煤行人上山巷道為例，建立合理數(shù)值計(jì)算模型，利用ANSYS有限元軟件模擬深部復(fù)合頂板巷道位置、兩幫巖性、不同支護(hù)方式（無支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨桿索支護(hù)）、有無預(yù)緊力時(shí)結(jié)構(gòu)面分離范圍及頂板層間離層大小，得出巷道位置、巷道兩幫巖性、支護(hù)條件、錨桿索預(yù)緊力對(duì)結(jié)構(gòu)面的分離范圍和層間離層有顯著影響，巷道位置、增加預(yù)緊力對(duì)其影響最為顯著，模擬結(jié)果為確定其頂板離層臨界值提供了依據(jù)。。

ANSYS；支護(hù)條件；結(jié)構(gòu)面；層間離層

隨著煤礦開采深度的增大，復(fù)合頂板煤巷的數(shù)量和比例不斷增加[1]，復(fù)合頂板極易離層、剝落，難以形成承載結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)[2]。復(fù)合頂板亦稱為離層型頂板，由不同巖性的巖層組成，不同巖層之間存在微小分離面或者存在軟弱節(jié)理，結(jié)構(gòu)面易發(fā)生離層，當(dāng)不同巖性差別較大時(shí)，粘結(jié)力很小極易產(chǎn)生分離，當(dāng)結(jié)構(gòu)面分離范圍及層間離層超過一定范圍時(shí)巖層易在結(jié)構(gòu)面上發(fā)生分離而垮落，并且事故發(fā)生前征兆并不明顯，事故的發(fā)生具有突然性，造成的后果也比較嚴(yán)重。在近幾年發(fā)生的冒頂事故中，很大一部分都屬于復(fù)合頂板冒頂事故[3]。李冰冰《深井回采巷道頂板離層與支護(hù)技術(shù)研究》在分析大量工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論分析，對(duì)深井回采巷道頂板離層與支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了深入細(xì)致地研究，得出了離層形成的力學(xué)機(jī)理和條件[4]；吳德義針對(duì)煤層埋置深度不同，初步分析了淺部開采與深部開采煤層頂板離層力學(xué)機(jī)制的不同[5]；Shou.Gen.Chen采用數(shù)值模擬對(duì)結(jié)構(gòu)面離層進(jìn)行了分析[6]；S.LIN分析了復(fù)合頂板層面位移不連續(xù)性和應(yīng)力變化特點(diǎn)[7]。但對(duì)于頂板離層的量化認(rèn)識(shí)還未深入。因此研究深部圍巖復(fù)合頂板，為采用合理措施保持其它礦區(qū)煤層頂板離層穩(wěn)定提供依據(jù)，結(jié)合頂板離層現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可較準(zhǔn)確確定頂板離層臨界值，對(duì)保持類似巷道穩(wěn)定具有工程及科學(xué)意義。

1.數(shù)值模型的建立與圍巖力學(xué)參數(shù)的選取

（1）數(shù)值模型的建立

圖2 計(jì)算模型（巷道布置于煤頂板中）

文章以口孜東礦11-2煤為例，11-2煤行人上山掘進(jìn)時(shí)，巷道布置于煤層中以及掘進(jìn)后期巷道布置于煤層頂板，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)柱狀圖，確定巷道兩幫及底板巖性、復(fù)合頂板的組成，各巖層之間建立結(jié)構(gòu)接觸面，合理建立數(shù)值計(jì)算模型如下圖1、圖2。根據(jù)巷道埋深取原巖應(yīng)力P= 18.6MPa，均勻分布于模型上邊界面。模型中巖層巖性從上至下分布為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖、泥巖、11-2煤、砂質(zhì)泥巖。為保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果收斂及精度，選擇PLANE82網(wǎng)格單元，結(jié)構(gòu)面間采用接觸對(duì)單元 TARGE169 和 CONTA172模擬，考慮到巷道的無限長(zhǎng)，可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題并設(shè)置為大變形求解，采用FULL N-R迭代方法[8]。當(dāng)上下兩層巖性相差較大，數(shù)值模擬時(shí)可能出現(xiàn)上部較軟弱巖層嵌入下部堅(jiān)硬巖層中，所以模擬時(shí)應(yīng)正確選擇結(jié)構(gòu)面法向剛度并作必要的數(shù)據(jù)修正。

（2）圍巖力學(xué)參數(shù)的選取

通過現(xiàn)場(chǎng)取芯，在實(shí)驗(yàn)室中將試件加工成標(biāo)準(zhǔn)試件即直徑50mm，高度100mm。對(duì)試件的彈性模量、抗拉強(qiáng)度及泊松比等力學(xué)參數(shù)的測(cè)定采用TAW 2000型微機(jī)控制電液伺服巖石三軸剪切復(fù)合試驗(yàn)機(jī)，通過YDS攜帶式巖土力學(xué)性質(zhì)多功能試驗(yàn)儀測(cè)定巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，11-2煤巷頂?shù)装鍘r性力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 11-2煤巷頂?shù)装鍘r性力學(xué)參數(shù)

2.不同條件頂板離層分析

為研究11-2煤巷道位置、不同支護(hù)條件、兩幫巖性對(duì)頂板離層穩(wěn)定性的影響，以圖1、圖2所示數(shù)值模型為基礎(chǔ)，比較巷道位置、有無預(yù)緊力，支護(hù)強(qiáng)度分別為無支護(hù)、錨桿索支護(hù)、錨桿支護(hù)、兩幫巖性由煤變?yōu)樯皫r時(shí)結(jié)構(gòu)面間的法向應(yīng)力與頂板層間離層分布規(guī)律。

3.結(jié)果與分析

巷道布置于煤層中，巷道兩幫巖性為煤、采用錨桿索支護(hù)時(shí)巷道圍巖第一主應(yīng)力及垂直方向位移（Y方向）分布模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 錨桿索支護(hù)頂板第一主應(yīng)力場(chǎng)、垂直位移分布模擬結(jié)果

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出：頂板與之間結(jié)構(gòu)面的第一主應(yīng)力為正值，即呈現(xiàn)拉應(yīng)力，頂板關(guān)鍵層位于頂板鄰近的錨固區(qū)內(nèi)第一層巖層。不同支護(hù)條件（無支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨桿索支護(hù)）時(shí)，結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力及頂板層間離層如圖4。巷道兩幫巖性由煤變?yōu)樯皫r時(shí)結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力及頂板離層分布規(guī)律如圖5。有無預(yù)緊力時(shí)結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力及頂板離層分布規(guī)律如圖6。巷道布置于煤頂板且無支護(hù)時(shí)，第一主應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果如圖7。

圖4 不同支護(hù)方式結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力與離層分布

圖5 幫部不同巖性時(shí)結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力與離層分布

圖6 有無預(yù)緊力作用時(shí)結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力與離層分布

圖7 巷道布置于煤層（無支護(hù)）

數(shù)值模擬結(jié)果表明：

（1）錨桿、錨桿索支護(hù)可以減小結(jié)構(gòu)面拉應(yīng)力的范圍。由于錨桿索的加固作用，在巷道周圍形成一個(gè)整體、穩(wěn)定的巖石帶，出現(xiàn)分離（拉應(yīng)力）的結(jié)構(gòu)面范圍減小，同時(shí)使得頂板層間離層值減??；

（2）巷道兩幫巖性由較軟弱的煤變?yōu)檩^硬的砂巖時(shí)，結(jié)構(gòu)面分離范圍減小了約40%，頂板塑性變形量減小，層間離層值由3.6mm減小為3.2mm，降低了12.5%；

（3）錨桿索支護(hù)時(shí)增加預(yù)緊力對(duì)于減小結(jié)構(gòu)面分離范圍和頂板層間離層值效果更好，層間離層值減少了約30%；

（4）頂板巖層組成影響關(guān)鍵層位置及不穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)，頂板關(guān)鍵層主要由巖層距巷道頂板高度、巖層厚度及巖層力學(xué)性質(zhì)確定。臨近巷道軟弱薄層部位易產(chǎn)生不穩(wěn)定層間離層；

（5）當(dāng)巷道布置于煤層頂板且無支護(hù)時(shí)，鄰近巷道頂板三層結(jié)構(gòu)面都出現(xiàn)了一定范圍的拉應(yīng)力并產(chǎn)生了較為顯著的層間離層，但拉應(yīng)力范圍減小了約22%。

4.結(jié)論

數(shù)值模擬結(jié)果表明深部開采復(fù)合頂板巷道位置、增加預(yù)緊力對(duì)結(jié)構(gòu)面的分離范圍及層間離層值影響最為顯著。巷道布置于煤層中時(shí)，頂板關(guān)鍵層位于頂板鄰近的錨固區(qū)內(nèi)第一層巖層。巷道布置于煤層頂板時(shí)，雖然巷道頂板三層結(jié)構(gòu)面都出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力范圍減小了約22%，層間離層值有一定減少，頂板關(guān)鍵層位置也發(fā)現(xiàn)了改變。巷道兩幫巖性由較軟弱的煤變?yōu)檩^硬的砂巖時(shí)，結(jié)構(gòu)面分離范圍減少了約40%，但層間離層值并未顯著減少。對(duì)類似巷道施工、支護(hù)時(shí)，應(yīng)盡量將巷道布置于堅(jiān)硬巖層中，并選取合理支護(hù)參數(shù)，增加預(yù)緊力。

[1]賈明魁.錨桿支護(hù)煤巷冒頂成因分類新方法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005, （5）:26-28.

[2]崔希鵬,谷拴成,蘇鋒.煤巷復(fù)合頂板變形破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,（11）:56-59+89.

[3]吳紅梅.復(fù)雜系統(tǒng)脆性理論及在煤礦事故系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2009.

[4]李冰冰.深井回采巷道頂板離層與支護(hù)技術(shù)研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2008.

[5]吳德義，程樺.軟巖允許變形合理值現(xiàn)場(chǎng)估算[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（7）：1029-1032.

[6]SHOU Gen-chen,Hua-gu.Numerical simulation of bed separation develop-ment and grout injecting into separations[J].Geotech Geol Eng,2008,26(3):375-385.

[7]S.LIN.Displacement discontinuities and stress changes between roof strata and their influence on longwall mining under aquifers [J].Geotech-nical and Geological Engineering,1993,1(3):37-50.

[8]王國(guó)強(qiáng)，等.實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)出版社，2000.

[9]田寧.深埋坑道復(fù)雜圍巖組合試件巖爆傾向性試驗(yàn)研究[J].隧道建設(shè)，2012，(4):486-489+494.

[10]曹云鋼.巖體結(jié)構(gòu)面抗剪參數(shù)試驗(yàn)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013.

Deep Compound Roof Stability Influencing Factor Analysis Based on ANSYS

Xu Pan,Wu De-yi
（Anhui Jianzhu University,Hefei Anhui 230601,China）

Taking the 11-2 coal layer pedestrian mountain roadway in Kou-Zi Dong mine as example to establish reasonable numerical model,using the finite element software ANSYS to simulate roadway position,two deep compound roof lithology,different support ways(no support, bolting, anchor lever cable support), with or without preload when separation range between structure and roof surface layer delamination size,draw two sides roadway rock,support conditions,bolt cable preload on the scope and structure of the surface of separation layer rooms have a significant effect separation,especially it is most significant to increase epreload.The result could offer basement for ensuring critical value of roof separation.

ANSYS;suuport method;structural plane;interlayer abscission

TS653

A

1672-0547（2015)04-0105-03

2015-07-10

徐 盼（1992-),男,安徽合肥人,安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院碩士研究生,研究方向：地下結(jié)構(gòu)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深部煤巖穩(wěn)定性量化判別研究”（51374009)。