錨桿支護對軟巖巷道頂板穩(wěn)定性的提升作用

趙韋韋

(山西潞安集團 慈林山煤業(yè)有限公司，山西 長治 046605)

錨桿支護是巷道開挖過程中應用較為廣泛的支護方法，對開挖后的頂板進行錨桿支護能極大地提升頂板的穩(wěn)定性，保證煤炭安全開采。軟巖條件下巷道圍巖變形較大，若不采用支護措施，軟巖巷道極易發(fā)生冒頂、片幫等安全事故，許多專家對錨桿支護及軟巖巷道穩(wěn)定性進行研究?？导t普[1]從理論、實踐兩個角度出發(fā)，對成套錨桿支護技術進行了研究；侯朝炯[2-3]基于室內試驗的方法對錨桿支護后，錨固體對巷道圍巖的控制程度進行了分析；張擁軍[4-5]對錨桿支護的作用范圍進行了分析。

本文以離散元理論為基礎，建立軟巖條件下巷道開挖及工作面回采的3DEC數(shù)值計算模型，研究錨桿支護對軟巖巷道頂板穩(wěn)定性的提升作用。

1 離散元理論

離散元法同其它數(shù)值模擬方法區(qū)別在于是否存在節(jié)理面。節(jié)理面變形對巖體力學性質及其穩(wěn)定性具有重要影響，由于節(jié)理面厚度遠小于其平面上的尺度，一般不用應力-應變曲線表示其變形規(guī)律，而是采用應力位移關系表征其變形規(guī)律。節(jié)理面變形主要體現(xiàn)兩個方面：1) 垂直于節(jié)理面的閉合或張開。2) 沿節(jié)理面方向的剪切滑移變形，因此，節(jié)理面本構關系的主要研究內容是結構面應力與其法向變形和切向變形的關系?？紤]節(jié)理面沿剪切方向為各向同性時，結構面上作用有兩個應力：法向應力σ和剪切應力τ，對應的法向位移δn和切向位移δs，應力位移關系可由式(1)表示：

(1)

式中：

2 數(shù)值模型的建立

以軟巖巷道為背景，建立巷道開挖及工作面模型，數(shù)值模型見圖1. 模型長200 m、高23 m，巷道掘進方向對研究影響較小，取模型寬度為1 m. 研究對象主要為高2 m的油頁巖頂板，故將該層頂板劃分為若干1 m×0.5 m的塊體，其它區(qū)域粗略劃分。模型上表面施加5 MPa均布載荷，其余5個面施加位移約束，巖體破壞服從摩爾庫倫強度準則，節(jié)理面破壞服從庫倫滑移準則。模型所用煤巖體物理力學參數(shù)、節(jié)理力學參數(shù)見表1.

圖1 數(shù)值計算模型圖

表1 煤巖體力學參數(shù)表

3 錨桿支護對頂板穩(wěn)定性的提升作用

3.1 巷道開挖過程中錨桿支護的提升作用

對圖1中數(shù)值計算模型進行巷道開挖，巷道寬5 m、高3 m，開挖完成后，對其分別進行不支護及錨桿支護處理，錨桿支護中，錨桿長2 m，每隔0.5 m打一根，共11根，錨桿及錨固端力學參數(shù)見表2. 模型計算平衡后z方向位移云圖見圖2.

表2 錨桿力學參數(shù)表

圖2 巷道開挖后頂板沉降量圖

如圖2 a)所示，無支護條件下，巷道開挖后的頂板最大沉降量約為3.18 cm，頂板較為穩(wěn)定；由圖2b)可知，錨桿支護后，頂板最大沉降量約為2.97 cm，同無支護對比，減小了0.21 cm. 以支護前后的頂板最大沉降量為基礎，定義錨桿支護對頂板穩(wěn)定性的提升程度，見式(2)：

(2)

式中：

η—錨桿支護對頂板穩(wěn)定性的提升程度；

dw—無支護條件下頂板最大沉降量，cm，取3.18；

dz—錨桿支護條件下頂板最大沉降量，cm，取2.97.

由式(2)可得，巷道開挖過程中，錨桿支護對頂板穩(wěn)定性的提升程度為6.6%.

為分析巷道跨度范圍內頂板沉降量具體情況，每隔0.5 m記錄巷道范圍內z方向位移，見圖3.

圖3 巷道跨度范圍內頂板沉降量曲線圖

由圖3可知，巷道開挖過程中，無支護條件下巷道兩側頂板沉降量分別為1.48 cm、2.47 cm；錨桿支護后，巷道兩側頂板沉降量分別為1.46 cm、2.25 cm，支護效果較為明顯。

3.2 工作面回采過程中錨桿支護的提升作用

巷道開挖過程中，同時進行工作面回采作業(yè)，工作面回采對巷道沉降量的影響見圖4.

圖4 工作面回采過程中巷道頂板沉降量圖

由圖4可知，工作面回采過程中，巷道頂板均產(chǎn)生較大變形，同樣每隔0.5 m記錄巷道跨度范圍內頂板z向位移，見圖5.

圖5 工作面回采過程中巷道頂板沉降量曲線圖

由圖5可知，回采過程中無支護及錨桿支護下巷道頂板最大沉降量依次為47.6 cm、39.9 cm，據(jù)式(2)得，錨桿支護對頂板穩(wěn)定性提升程度為16.2%.

3.3 錨桿軸力分析

錨桿支護條件下，巷道開挖及工作面回采過程中錨桿所受拉伸力見圖6.

如圖6 a)所示，巷道開挖過程中，錨桿軸力最大202 kN，整體受拉伸力較??；如圖6b)所示，工作面回采過程中，共7根錨桿軸力達到極限受力狀態(tài)，約300 kN，且部分錨桿產(chǎn)生較大變形。

4 工程應用

山西潞安慈林山煤礦巷道開挖完成后，對其進行錨桿支護，巷道高4 m，寬4 m，錨桿長2 m，間排距0.5 m，支護完成后，對巷道中心位置進行沉降量監(jiān)測，測點數(shù)據(jù)隨時間的關系見圖7.

圖6 錨桿軸力圖

圖7 頂板沉降量監(jiān)測曲線圖

由圖7可知，巷道開挖后前5天內沉降量逐漸增大，到第5天時，沉降量維持在5 cm左右，由于回采工作面的擾動，頂板沉降量從第12天開始大幅增加，第20天時，沉降量達到21 cm左右，之后基本保持不變。相對其巷高4 m，僅沉降了5%，說明錨桿支護作用顯著。

5 結 論

1) 巷道開挖過程中，錨桿支護對頂板穩(wěn)定性提升程度為6.6%，錨桿軸力較?。还ぷ髅婊夭蛇^程中，錨桿支護對頂板穩(wěn)定性提升程度為16.2%，部分錨桿達到極限軸力,且部分錨桿產(chǎn)生較大變形。

2) 對山西慈林山煤礦進行了實地監(jiān)測，證明了錨桿支護對頂板穩(wěn)定性的提升作用。