陳家溝煤礦巖巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法研究

李 學(xué) 軍

(華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100)

陳家溝煤礦巖巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)方法研究

李 學(xué) 軍

(華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100)

結(jié)合陳家溝煤礦的地質(zhì)勘探資料和設(shè)計(jì)資料，運(yùn)用理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法，對(duì)巖巷的塑性區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算，根據(jù)兩者的計(jì)算結(jié)果，得出塑性區(qū)的范圍，為錨桿的支護(hù)提供參數(shù)依據(jù)，同時(shí)計(jì)算結(jié)果表明，錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)符合數(shù)值計(jì)算和理論計(jì)算的結(jié)果。

理論計(jì)算，塑性區(qū)，數(shù)值模擬

0 引言

煤礦永久性巷道服務(wù)年限長(zhǎng)，在地質(zhì)條件和生產(chǎn)布局允許的情況下大多沿煤層頂?shù)装逅拖?，為滿足運(yùn)輸、行人、通風(fēng)需要，一般斷面較大，設(shè)計(jì)上要便于與采區(qū)車場(chǎng)銜接，兼顧安全保護(hù)煤巖柱寬度。在此基礎(chǔ)上，永久性巷道的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)選取的科學(xué)合理性十分重要，決定著巷道的安全性，而且提高一次支護(hù)的有效性，可以避免因巷道圍巖塑性破壞后需增大維修支護(hù)徑向深度及支護(hù)強(qiáng)度給設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)的困難。設(shè)計(jì)合理，支護(hù)有效，則可以避免和減弱巷道變形破壞，減少對(duì)失修巷道維修加固的材料和人力成本，提高礦井經(jīng)濟(jì)效益。陳家溝煤礦在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中逐漸實(shí)現(xiàn)了巷道支護(hù)錨網(wǎng)化，總結(jié)出了錨桿、錨索、鋼筋梯梁、噴射混凝土等支護(hù)多搭聯(lián)合支護(hù)的多種支護(hù)方式，在支護(hù)參數(shù)的選取上也進(jìn)行了一些有益的探索實(shí)踐。

1 巷道概況

陳家溝煤礦某水平軌道大巷，巖巷段約380 m，沿煤層底板送巷，巷道坡度+4‰，巷道揭露巖石：煤泥巖，灰色、灰黑色，均勻?qū)永?，泥質(zhì)膠結(jié)，具水平層理，含較多的炭化植物莖部化石碎片。砂質(zhì)泥巖，灰褐色，灰黑色，泥質(zhì)膠結(jié)，均勻?qū)永?，局部具揉搓滑面。巖體較完整。半圓拱形巷道，凈斷面為14.6 m2，掘進(jìn)斷面為17.3 m2，采用鋼筋托梁+錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿長(zhǎng)度2 400 mm，錨索長(zhǎng)度7 300 mm。

2 理論計(jì)算

2.1 錨桿錨索規(guī)格驗(yàn)算

2.1.1 按懸吊理論計(jì)算錨桿參數(shù)

L=KH+L1+L2

(1)

其中，L為錨桿長(zhǎng)度，m；H為冒落拱高度，m，H=B/2f=5.1/2×3=0.85 m，f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取3；K為安全系數(shù)，一般取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)取0.4 m；L2為錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度，一般取0.1 m。計(jì)算得出的錨桿長(zhǎng)度為2.2 m。

2.1.2 按圍巖加固范圍計(jì)算錨索長(zhǎng)度

錨索宜錨固在圍巖內(nèi)部較穩(wěn)定的巖層中，錨索長(zhǎng)度按式(2)計(jì)算：

L′=La+Lb+Lc+Ld

(2)

其中，L′為錨索的總長(zhǎng)度，m；Lb為需懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取1.7 m；Lc為上托板及錨具的厚度，一般不小于0.1 m；Ld為需要外露的張拉長(zhǎng)度，一般不小于0.1 m。

經(jīng)計(jì)算，錨索長(zhǎng)度最少需要5.28 m，考慮同一水平巖石大巷掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，錨索長(zhǎng)度確定為7.3 m較為合理。

2.2 按照圍巖塑性區(qū)估算

在巖體中，巷道的開挖不可避免地破壞巖體中原有的應(yīng)力狀態(tài)，直接表現(xiàn)是周邊的徑向應(yīng)力減小、圍巖強(qiáng)度明顯降低，切向應(yīng)力增加，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)巖體的強(qiáng)度時(shí)，巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)。巖體塑性區(qū)的范圍，是錨桿參數(shù)的重要依據(jù)。圓形巷道圍巖塑性區(qū)見圖1。

巖巷的支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2所示，錨索為7 300 mm，錨桿為2 400 mm，巖巷的斷面為L(zhǎng)=4 840 mm，R=4 840 mm，H=1 500 mm，根據(jù)實(shí)際情況，R0的取值為該斷面的最大半徑，如圖3所示。

根據(jù)圖3可得R0的值：

(3)

圓形巷道塑性區(qū)的估算方法如下：

(4)

假如巖巷不考慮任何支護(hù)條件，即p1=0，認(rèn)為塑性區(qū)得到了充分發(fā)展，其半徑最大值為Rmax，即：

(5)

其中，R0為巖巷半徑，R0=2 847.17 mm；p0為原巖應(yīng)力；c為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

在應(yīng)用上式進(jìn)行塑性區(qū)計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際情況對(duì)c，φ值進(jìn)行折減，c，φ值的折減一般按照下述經(jīng)驗(yàn)方法：1)選取c值時(shí)，如果計(jì)算塑性區(qū)最大半徑Rmax，可以取實(shí)驗(yàn)值的20%～25%；2)選取φ值時(shí)，如果巖體中無(wú)充填物，按照其實(shí)驗(yàn)值的90%為計(jì)算值。

根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)方法，結(jié)合陳家溝煤礦地質(zhì)資料，上覆巖層的等效荷載為13.8 MPa，巖巷所在位置為粗砂巖，泊松比μ=0.17,c=2 MPa，內(nèi)摩擦角φ=35°。根據(jù)式(5)計(jì)算，塑性區(qū)的范圍為：

即：

RP=4 030 mm。

兩幫塑性區(qū)的長(zhǎng)度為：Lt=4 030-2 420=1 610 mm。

錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 400 mm，大于兩幫塑性區(qū)長(zhǎng)度，滿足設(shè)計(jì)要求，同理，錨索也滿足設(shè)計(jì)要求。

3 數(shù)值模擬

本文采用有限元軟件ABAQUS，ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程數(shù)值仿真軟件，其解決問題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。ABAQUS具有豐富的巖土材料本構(gòu)模型，本文采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則來(lái)模擬巖土材料。

表1 數(shù)值計(jì)算模擬的巖石力學(xué)參數(shù)

結(jié)合陳家溝煤礦地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告和相關(guān)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)(見表1)，本文建立了巖巷的數(shù)值計(jì)算模型(見圖4)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，上覆巖層采用等效荷載的方式傳遞到數(shù)值計(jì)算模型上。

計(jì)算結(jié)果表明，巖巷兩側(cè)的塑性區(qū)域距兩側(cè)邊緣在1 370 mm左右，巖巷頂板的塑性分布距離頂板邊緣在6 900 mm左右，和理論計(jì)算相比較：

巖巷兩側(cè)的塑性區(qū)理論計(jì)算值和數(shù)值模擬結(jié)果誤差14%，短錨長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2 400 mm>1 370 mm，滿足要求，錨索的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=7 300 mm>6 900 mm，滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)陳家溝該巖巷的塑性區(qū)的理論計(jì)算值分別為2 200 mm，1 600 mm，錨桿和錨索滿足設(shè)計(jì)要求。

2)數(shù)值模擬結(jié)果的塑性區(qū)在巖巷的兩側(cè)范圍在1 370 mm，在頂部的范圍在6 900 mm，錨桿和錨索同樣滿足設(shè)計(jì)要求。

3)理論結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，兩者可以作為巖巷支護(hù)設(shè)計(jì)的重要方法。

[1] 王金安，王樹仁，馮錦艷，等.巖土工程數(shù)值計(jì)算方法實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2] 莊 茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3] 費(fèi) 康.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[4] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元講解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5] 陶龍光，劉 波，侯公羽.城市地下工程[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[6] 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007:361.

[7] 周華強(qiáng).巷道支護(hù)限制與穩(wěn)定作用理論及其應(yīng)用[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2006:143.

[8] 賀永年.深部巷道穩(wěn)定的若干巖石力學(xué)問題[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(3)：288-295.

Chenjiagou coal rock tunnel supporting parameters design rationality analysis research

Li Xuejun

(ChenjiagouCoalMine,HuatingCoalandElectricityCo.,Ltd,Huating744100,China)

Combination of Chenjiagou coal geological exploration data and design data, using the method of theoretical calculation and numerical simulation, numerical simulation and calculation of rock plastic zone. According to the calculation results of the two, it is concluded that the range of plastic area, basis for bolt supporting parameters. The results show that the bolt design parameters in accordance with numerical computation and theoretical calculation results.

theoretical calculation, plastic zone, numerical simulation

1009-6825(2015)07- 0047- 02

2014-12-31

李學(xué)軍(1974- )，男，工程師

TD263

A