預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨技術(shù)在馬頭門加固中的模擬分析

喬旭東(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦，山西 太原 030022)

·試驗(yàn)研究·

預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨技術(shù)在馬頭門加固中的模擬分析

喬旭東
(西山煤電集團(tuán)公司 官地礦，山西 太原 030022)

以中煤集團(tuán)孔莊煤礦馬頭門頂板加固工程為例，利用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件建立錨固模型，分析了預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索的加固及圍巖控制效果，并由工程實(shí)踐得出，采用預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索有效地控制了該區(qū)域的圍巖變形，為相似礦井提供有益借鑒。

馬頭門；圍巖控制；預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨技術(shù)

1 概 述

馬頭門是井底車場(chǎng)巷道與立井井筒連接的過(guò)渡段，是礦井的咽喉部分，其區(qū)域巷道圍巖的穩(wěn)定性關(guān)系到礦井的生產(chǎn)運(yùn)輸[1]. 馬頭門位置特殊，其斷面較大，應(yīng)力結(jié)構(gòu)復(fù)雜。馬頭門內(nèi)設(shè)備多，安裝布置復(fù)雜，是礦井設(shè)計(jì)中最為復(fù)雜的硐室之一，也是硐室支護(hù)中極難處理的一部分，處理不當(dāng)極易造成井壁脫落，由潘一礦副井、國(guó)投新集集團(tuán)劉莊煤礦、羊東礦、郭屯礦、焦作古漢山礦、山東濟(jì)寧唐口煤礦、豐城曲江礦等多處礦井馬頭門破壞機(jī)理研究分析表明[2-5]，馬頭門支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)不僅有自然因素、硐室群布置的影響，同時(shí)也包括人為的工程質(zhì)量、工程設(shè)計(jì)等方面的影響。國(guó)內(nèi)外研究表明[6-7]，目前馬頭門區(qū)域較常用的加固技術(shù)有錨桿加固、預(yù)應(yīng)力錨索加固、注漿加固等手段。本文以中煤集團(tuán)孔莊煤礦-1015水平井底車場(chǎng)凈直徑8.1 m大直徑井筒馬頭門頂板加固工程為例，結(jié)合其變形特點(diǎn)及破壞特征，利用FLAC3D數(shù)值模擬分析預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索的加固及圍巖控制效果。

2 預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨模型建立

為了定性的對(duì)比分析預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索與常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索加固控制效果，建立模型見(jiàn)圖1，模型尺寸為X50 m×Z50 m×Y30 m，埋深為1 000 m，測(cè)壓系數(shù)為1. 巷道布置于模型中央，底巷尺寸為寬5 m×高3 m，頂巷尺寸為寬3 m×高3 m. 模型由75 000個(gè)單元、80 631個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，固定除頂面外的其余所有自由面。模型的本構(gòu)關(guān)系采用莫爾庫(kù)倫理想彈塑性理論。巖體參數(shù)選定實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的泥巖力學(xué)性能參數(shù)，見(jiàn)表1. 錨索及錨固劑參數(shù)見(jiàn)表2.

圖1 工程模型圖

表1 巖體參數(shù)表

表2 錨索及錨固劑參數(shù)表

3 預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨加固機(jī)理數(shù)值模擬研究

由于預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索軸向作用機(jī)理與常規(guī)錨索非錨固段軸向作用機(jī)理等效，在相同條件下，距離圍巖表面一定深度范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索的應(yīng)力分布與常規(guī)錨索應(yīng)力分布理論上應(yīng)該是相近的。因此，通過(guò)數(shù)值模擬不同預(yù)緊力下的常規(guī)錨索加固巖體應(yīng)力分布及對(duì)穿錨索加固巖體應(yīng)力分布，對(duì)比分析預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨加固機(jī)理，并討論等效假設(shè)的合理性。

以20 kN、40 kN、60 kN預(yù)緊力為例，對(duì)兩種不同形式的錨索作用機(jī)理應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見(jiàn)圖2，3，4.

對(duì)常規(guī)錨索與對(duì)穿錨索兩種錨固系統(tǒng)對(duì)圍巖的加固效應(yīng)進(jìn)行分析：

圖2 20 kN預(yù)緊力下常規(guī)錨索與對(duì)穿錨索加固巖體應(yīng)力分布圖

圖3 40 kN預(yù)緊力下常規(guī)錨索與對(duì)穿錨索加固巖體應(yīng)力分布圖

圖4 60 kN預(yù)緊力下錨索與對(duì)穿錨索加固巖體應(yīng)力分布圖

由圖2，3，4可以看出，常規(guī)錨索與對(duì)穿錨索在巖體表面均形成應(yīng)力集中區(qū)，且同一條件下兩者的分布形式極為相似。由圖2可以看出，當(dāng)施加的預(yù)緊力為20 kN時(shí)，常規(guī)錨索錨固端頭處在圍巖形成的最大壓應(yīng)力達(dá)到0.06 MPa，同樣條件下對(duì)穿錨索在錨頭處形成的最大壓應(yīng)力值也為0.06 MPa；常規(guī)錨索最低有效加固強(qiáng)度為0.001 MPa，該應(yīng)力曲線與常規(guī)錨索最大水平距離為1.7～1.8 m，且最大水平距離處相對(duì)圍巖表面的垂直深度約為1.5 m，而對(duì)穿錨索加固強(qiáng)度為0.001 MPa，應(yīng)力曲線上相對(duì)圍巖表面垂直深度1.5 m處與對(duì)穿錨索的水平距離同樣約為1.8 m. 當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到40 kN及60 kN時(shí)，兩種錨固系統(tǒng)對(duì)巖體的加固效果見(jiàn)圖3，4. 表3為不同預(yù)緊力作用條件下圍巖所達(dá)到的最大壓應(yīng)力值與錨束體1.5 m處1 000 Pa應(yīng)力值的擴(kuò)散范圍，通過(guò)表3可以得出，對(duì)于兩種不同的錨固系統(tǒng)，在巖體內(nèi)靠近錨固端頭處形成的壓應(yīng)力及其范圍是基本一致的，即兩者在錨固圍巖中靠近錨頭的軸向加固作用效果是近似相等的。

表3 不同預(yù)緊力下兩種錨固系統(tǒng)對(duì)圍巖作用效果對(duì)比表

不同預(yù)緊力下常規(guī)錨索與對(duì)穿錨索的軸力分布圖見(jiàn)圖5，由圖5可以看出，常規(guī)錨索在自由段保持穩(wěn)定，進(jìn)入錨固段后，軸力急劇下降，而對(duì)穿錨索軸力始終保持穩(wěn)定。比較其值可以發(fā)現(xiàn)，距離加固圍巖表面一定深度范圍內(nèi)，預(yù)緊力為20 kN時(shí)，對(duì)穿錨索的軸力與常規(guī)錨索軸力只相差2%；預(yù)緊力為40 kN時(shí)，對(duì)穿錨索的軸力與常規(guī)錨索軸力相差4%；預(yù)緊力為60 kN時(shí)，對(duì)穿錨索的軸力與常規(guī)錨索軸力相差5%.此現(xiàn)象說(shuō)明，在距離加固圍巖表面一定深度范圍內(nèi)，兩者自由段受力是基本一致的。進(jìn)而綜合圖2，3，4所呈現(xiàn)出的現(xiàn)象，可看出規(guī)律，距離加固圍巖表面一定深度，即至常規(guī)錨索內(nèi)錨固段之前，預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索加固與常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索加固的應(yīng)力分布規(guī)律是相似的，其加固效應(yīng)可認(rèn)為是等效的。

圖5 不同預(yù)緊力常規(guī)錨索與對(duì)穿錨索軸力分布圖

此外，由圖2，3，4可以看出，對(duì)剛性介質(zhì)(相對(duì)松軟介質(zhì)而言)施壓時(shí)，常規(guī)錨索在錨索周邊的巖體中形成兩個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)和一個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)，兩個(gè)壓力集中區(qū)一個(gè)位于托盤下的巖體中，稱為表層壓縮區(qū)，另一個(gè)則分布在錨固體靠近孔口處，兩處壓應(yīng)力交匯為應(yīng)力圓錐體，一個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)分布在錨索錨固段深部圍巖中；而對(duì)穿錨索在巖體中僅形成了壓應(yīng)力區(qū)，且呈現(xiàn)出對(duì)稱錐形體結(jié)構(gòu)，而不存在拉應(yīng)力區(qū)；并且，當(dāng)兩錨固系統(tǒng)預(yù)緊力發(fā)生變化時(shí)，其各自相應(yīng)在巖體內(nèi)形成的壓應(yīng)力區(qū)基本相似，均具有以上同一規(guī)律性。在工程應(yīng)用中，加固圍巖體時(shí)，常規(guī)錨索拉應(yīng)力區(qū)的存在實(shí)際上是對(duì)加固工程不利的，這是由巖體抗壓而不抗拉的特性所決定的，故相對(duì)于常規(guī)錨索，應(yīng)力分布只存在壓應(yīng)力區(qū)，不存在拉應(yīng)力區(qū)的預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索控制圍巖穩(wěn)定性的加固效果更佳。

4 預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨控制效果數(shù)值模擬研究

為了定性的說(shuō)明預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨對(duì)巷道圍巖的控制效果，對(duì)無(wú)支護(hù)條件下、常規(guī)錨索支護(hù)條件下、對(duì)穿錨索支護(hù)條件下的巷道力學(xué)特征進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)3種不同支護(hù)方式下巷道應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)范圍模擬結(jié)果的相互比較，分析預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨控制效果的優(yōu)越性。

4.1不同支護(hù)條件下巷道應(yīng)力狀態(tài)分析

圖6為不同支護(hù)條件下巷道垂直應(yīng)力分布圖，由圖6 a)無(wú)支護(hù)條件下巷道垂直應(yīng)力分布圖可以看出，由于底巷的開挖尺寸較大，在其兩幫形成了壓應(yīng)力集中區(qū)，最大值達(dá)到了25.3 MPa，是原巖應(yīng)力的1.8～1.9倍。在無(wú)支護(hù)狀態(tài)下其垂直應(yīng)力集中區(qū)范圍較大，影響到巷道群上部巷道圍巖深部應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)其穩(wěn)定不利。頂?shù)紫镩g巖體中的垂直最大應(yīng)力值在5 MPa，且越靠近中間垂直應(yīng)力越大。當(dāng)巷道群采用常規(guī)錨索加固后，圍巖垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖6b)，與無(wú)支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力分布圖比較，可以發(fā)現(xiàn)處于底巷兩幫巖體內(nèi)壓應(yīng)力集中區(qū)變化較大，不論其應(yīng)力大小還是分布范圍均較無(wú)支護(hù)時(shí)有所減小，頂?shù)紫镩g巖柱中的垂直最大應(yīng)力值穩(wěn)定在5.8 MPa，加強(qiáng)了此區(qū)域的壓應(yīng)力值，提高了其穩(wěn)定性。當(dāng)采用對(duì)穿錨加固時(shí)垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖6c)，通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)底巷兩幫圍巖集中應(yīng)力進(jìn)一步降低，頂?shù)紫镩g巖柱中的垂直最大應(yīng)力值提高至6.4 MPa，巖體內(nèi)受壓應(yīng)力的作用更明顯，巖柱穩(wěn)定性得到進(jìn)一步保證。

圖6 不同支護(hù)條件下巷道垂直應(yīng)力分布圖

4.2不同支護(hù)條件下巷道垂直位移分析

不同支護(hù)條件下巷道垂直位移分布見(jiàn)圖7. 當(dāng)巷道群處于無(wú)支護(hù)狀態(tài)中，如圖7a)可以看出，巷道頂板下沉量要明顯高于底鼓量，且底巷變形要明顯超過(guò)頂巷，底巷頂板下沉量最大值達(dá)到280～290 mm，底鼓量達(dá)到140～150 mm；頂巷頂板下沉量最大值在240～250 mm；底鼓量為50～70 mm. 由圖7b)可以看出，當(dāng)采用常規(guī)錨索進(jìn)行支護(hù)后，有效地控制了巷道群的垂直變形；底巷頂板最大下沉量值達(dá)到190～200 mm，底鼓量達(dá)到了100～110 mm；頂巷頂板最大下沉量值達(dá)到160～170 mm，底鼓量達(dá)到了25～46 mm，相比較于無(wú)支護(hù)狀態(tài)下圍巖變形，巷道頂板最大下沉量值降低45%～47%，底鼓量減小50%左右。主動(dòng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)對(duì)圍巖起到了關(guān)鍵的控制作用，使巷道頂?shù)装遄冃瘟勘３衷诎踩秶畠?nèi)。當(dāng)巷道群采用對(duì)穿錨加固后，由圖7c)可以看出，底巷頂板最大下沉量值達(dá)到150～160 mm，底鼓量達(dá)到了75～80 mm，頂巷頂板最大下沉量值達(dá)到120～130 mm，底鼓量達(dá)到了20～30 mm，相比較于常規(guī)錨索支護(hù)狀態(tài)下圍巖變形，巷道頂板最大下沉量值降低32%～33%，底鼓量減小20%左右。可見(jiàn)采用對(duì)穿錨不僅有效地控制了加固巖柱的變形量，而且巷道群整體垂直位移得到了進(jìn)一步的控制。

圖7 不同支護(hù)條件下巷道垂直位移分布圖

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)普通錨索與對(duì)穿錨索兩種錨固系統(tǒng)在馬頭門圍巖的控制效果比較，分析出兩種支護(hù)系統(tǒng)在受力及作用效果上的異同點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

1) 常規(guī)錨索與對(duì)穿錨索在巖體中的作用效果及其自身軸力分布在端頭區(qū)域及自由段基本相同，而常規(guī)錨索僅在內(nèi)錨固段的應(yīng)力分布及軸力分布與對(duì)穿錨索有很大的不同，同時(shí)，預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索提高了錨固區(qū)圍巖體力學(xué)參數(shù)，縮小了圍巖的塑性區(qū)半徑，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，能夠?qū)鷰r起到良好甚至較之常規(guī)錨索更好的加固效果。

2) 通過(guò)不同支護(hù)系統(tǒng)作用機(jī)理及其對(duì)巷道支護(hù)效果數(shù)值模擬結(jié)果可知，常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索在加固圍巖中產(chǎn)生不利于圍巖整體穩(wěn)定性的拉應(yīng)力區(qū)，而采用預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨加固巷道圍巖時(shí)，只形成有利于圍巖整體穩(wěn)定的壓應(yīng)力區(qū)，不存在拉應(yīng)力區(qū)。

3) 預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索加固圍巖時(shí)在頂?shù)紫锏廊褐兄ёo(hù)效果比采用常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索加固時(shí)，圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)更為科學(xué)，圍巖變形量更小，錨固系統(tǒng)受力更合理，采用預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索進(jìn)行加固支護(hù)的效果要比常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索更佳。

[1] 蔡海兵，程 樺，榮傳新，等.復(fù)雜條件下深井馬頭門圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，32(2)：298-304.

[2] 王天亮，榮傳新，李沖志.潘一礦副井馬頭門錨注聯(lián)合修復(fù)加固技術(shù)[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2013，33(1)：79-82.

[3] 徐淑岐，王雨寒.深立井極不穩(wěn)定巖層中馬頭門的聯(lián)合修復(fù)支護(hù)技術(shù)[J].價(jià)值工程，2013(15)：84-85.

[4] 王先科，袁士杰.馬頭門巷道變形監(jiān)測(cè)及破壞原因分析[J].河南科技，2017(7)：123-125.

[5] 喬衛(wèi)國(guó)，呂言新，林登閣，等.深井高應(yīng)力不穩(wěn)定軟巖馬頭門加固技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2011，38(6)：47-49，53.

[6] 李廣如.深井大斷面馬頭門工程加固支護(hù)技術(shù)[J].華東科技(學(xué)術(shù)版)：2014：382-382.

[7] Kang Hong-Pu Fan Ming-Jian.Relationship Research of Bolt Prestress and Supporting Effect of Roadway[J].Coal Mining Technology，2007(4)：1-3.

SimulationAnalysisofPrestressCrossingAnchorTechnologyinReinforcementofIngate

QIAOXudong

Takes ingate roof reinforcement project of Kongzhuang coal mine in China Coal Group as an example for research. The anchorage model is established based on FLAC3Dnumerical simulation analysis software. The actual effect for prestress crossing anchor reinforcement and the surrounding rock control are analyzed, the practice with prestress crossing anchor reinforcement controlled the deformation of surrounding rock greatly, provided good references for similar cases.

Ingate; Surrounding rock control; Prestress crossing anchor technology

2017-08-15

喬旭東(1978—)，男，山西大同人，2013年畢業(yè)于大同大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)工作(E-mail)1609995059@qq.com

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1672-0652(2017)10-0004-05