巷道幫部圍巖在不同錨固強度下的位移量

張周　吳德義　張寶

摘 要：隨我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，煤礦開采已有淺部邁向深部.在深部礦井中，不合理的支護參數(shù)引起深部圍巖變形破壞，已經(jīng)嚴重限制了煤礦工業(yè)的發(fā)展.利用FLAC3D軟件在8Mpa、14Mpa和20Mpa的原巖應力下，分別模擬不同錨固強度的圍巖水平方向位移量.利用Tecplot和Origin軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理，繪制出不同錨固強度下圍巖距巷道中心距離和水平方向位移量之間的關系曲線圖，并通過對比分析得出規(guī)律性的結論.

關鍵詞：深部圍巖;錨固強度;FLAC3D軟件;位移量

中圖分類號：TD322? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）11-0096-05

煤炭能源是人類生存和國家富強的重要物質保障.中國是一個富煤少油的國家，以煤炭為核心能源結構將長期符合中國的基本國情.富煤少油的中國，要快速實現(xiàn)經(jīng)濟的騰飛和工業(yè)現(xiàn)代化，保證能源供應需要大量的煤炭資源[1].因此攻克勘探和開采深度技術刻不容緩，最大化的利用我國煤炭能源的優(yōu)勢.隨著煤礦開采深度不斷增大，煤礦災害等安全問題十分突出[2].開挖后破壞了土體原有的應力布置，如果不及時處理容易產(chǎn)生松動區(qū)和塑性區(qū)，繼續(xù)延伸發(fā)展會引起圍巖變形破壞[3].導致整個洞室發(fā)生嚴重的破壞，因此在煤礦深部勘探和開采遇到的問題需要相關理論知識和技術進行解決.以保證煤炭安全、綠色和可持續(xù)供給.在煤礦深部開采中錨桿（索）支護扮演著一個至關重要的角色.合理的支護參數(shù)，合適的錨固強度，不僅可以提高整個工程的質量，還可以節(jié)省成本提高工作效率[4-5].為了更好地完善和發(fā)展錨桿（索）理論和技術，需要我們不斷的探索.本文主要分析在相同原巖應力條件下錨桿不同錨固強度的圍巖水平方向位移量，通過對比分析根據(jù)實際狀況選擇不同的錨固強度，選擇最合理支護方式，在最經(jīng)濟合理的情況下達到預期的支護效果.

1 數(shù)值分析模型的建立

1.1 數(shù)值計算模型

以巷道中心為原點，建立數(shù)值計算模型，在X、Y、Z模擬計算范圍分別是60m、2m、60m.為了提高計算精度，因此把網(wǎng)格劃分比例設定為1.1.模型大約有28000個單元，將約束分別施加水平方向、Y方向和Z方向.原巖應力施加到模型上邊界上.如圖1所示建立模型和劃分網(wǎng)格，將約束條件施加到圍巖底板和兩幫上.圍巖松動破碎和結構面分離分別采用了應變軟化模型和接觸面單元模擬[6].通過巷道中心的aA和在巷道左側的a點如圖2所示.對aA方向圍巖位移大小進行計算.考慮兩淮礦區(qū)實際情況，選取8MPa、14.0MPa、20.0MPa的原巖應力.

巷道斷面呈矩形狀，尺寸為5.0m×4.0m，煤巖力學相關參數(shù)見表1.通過實驗室測得的不同巖性煤巖及峰后強度隨應變衰減方程見表2，不錨固強度下巷道圍巖水平位移量選擇SS準則數(shù)值模擬分析[7].表3相關的力學參數(shù)和開挖的初始應力根據(jù)實驗室所測和實測工程所得.

1.2 本構模型

通過現(xiàn)場取樣，在實驗室制成標準試件（半徑25毫米，高100毫米），在MTS試驗機上試驗，塑性參數(shù)？著ps是通過峰后卸載的最大主塑性應變？著1和最小主塑性應變？著3所求得.并求出損傷試樣強度c、？漬.中硬煤及泥巖的c、？漬和？著ps見表3.

現(xiàn)場所取得試件塑性系數(shù)？著ps和損傷試樣強度？漬、c基本符合下面的回歸方程2-1.

？漬=k3e■+■c=k1e■+■? （2-1）

式中：？漬表示殘余內摩擦角（°），c表示殘余粘結強度（MPa），k1、k2、k3、k4分別是系數(shù).

由表3和表4中的相關數(shù)據(jù)代入公式2-1所得的即是中硬煤和泥巖衰減回歸方程（2-2、2-3）.

中硬煤為：？漬=2.0e■+21.0c=0.3e■+0.8? （2-2）

泥巖為：？漬=5.0e■+29.9c=0.7e■+1.6? （2-3）

由公式2-2和2-3可知，當？著ps接近無窮大時，損傷試樣強度c、？漬和殘余強度c、？漬非常接近.巖石進入殘余變形階段時，損傷試樣粘結力低于c=1.05c.表4表示應變軟化SS本構關系和計算模型可根據(jù)上面算式確定.

2 數(shù)值分析計算

用FLAC3D模擬軟件對錨桿的不一樣錨固強度進行模擬，用Tecplot軟件對結果進行處理，繪制出圍巖水平位移量和距離巷道中心距離的變化關系曲線圖.

2.1 錨桿在8MPa原巖應力下不同錨固強度的圍巖位移量

錨桿和錨索的長度分別取2米和6米，取尺寸是5.0m×4.0m斷面的中硬煤為研究對象.選擇大小不一樣的錨固強度（單位長度上的粘結力）進行數(shù)值模擬分析，5個不同的錨固強度下圍巖水平方向位移如圖1所示，分析不同錨固強度和位移量之間的變化關系.

通過對圖1進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在8MPa的原巖應力條件下，通過均勻的增大錨固強度，會發(fā)現(xiàn)圍巖位移量會逐漸的變小.當把強度從1增到2時，最大水平位移量從117mm減到99mm，位移減少值為18mm;.當把強度從2增到3時，最大水平位移量從99mm減到89mm，位移減少值為10mm;當把強度從3增到4時，最大水平位移量從89mm減到82mm，位移減少值為7mm;.當把強度從4增到5時，最大水平位移量從82mm減到78mm，位移減少值為4mm.通過這些數(shù)據(jù)分析可知當，位移量減小值會隨著錨固強度增大而減小，直到趨近于零，處于穩(wěn)定狀態(tài).由此可知在一定范圍內增大錨固強度可以較好地改善錨固，但超出這個范圍，隨著錨固強度的增大，錨固效果不顯著.圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài).利用Tecplot和Origin軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理，繪制出8MPa原巖應力5種錨固強度下圍巖距巷道中心距離和水平位移量之間的關系曲線圖，如圖2所示：

從圖2可以看出，距巷道中心距離和圍巖水平位移量呈負相關關系;錨固強度均勻增大時，會發(fā)現(xiàn)位移量逐漸減小，剛開始增加錨固強度時，圍巖位移量減小得非常大.當圍巖位移減少到一定值會趨于穩(wěn)定，再增加錨固強度時圍巖位移量不會發(fā)生變化.通過提高錨固強度來達到更好支護效果比較適合位移量較大范圍內.

2.2 錨桿在14MPa原巖應力下不同錨固強度的圍巖位移量

將上述條件中的8MPa原巖應力改成14MPa，其他條件保持不變，選擇大小不一樣的錨固強度（單位長度上的粘結力）進行數(shù)值模擬分析，5個不同的錨固強度下圍巖水平方向位移如圖3所示，分析不同錨固強度和位移量之間的變化關系.

2.3 錨桿在20MPa原巖應力下不同錨固強度的圍巖位移量

將上述條件中的14MPa原巖應力改成20MPa，其他條件保持不變，選擇大小不一樣的錨固強度（單位長度上的粘結力）進行數(shù)值模擬分析，5個不同的錨固強度水平位移如圖4所示，分析不同錨固強度和位移量之間的變化關系.

分析20MPa原巖應力、不同錨固強度下圍巖距巷道中心距離和水平位移量之間的關系如圖5所示.圍巖水平位移量會隨著錨固強度均勻增大而減小.當把強度從1增到2時，最大水平位移量從948mm減到788mm，位移減少值為160mm;.當把強度從2增到3時，最大水平位移量從788mm減到126mm，位移減少值為10mm;.當把強度從3增到4時，最大水平位移量從622mm減到548mm，位移減少值為78mm;.當把強度從4增到5時，最大水平位移量從548mm減到521mm，位移減少值為63mm.經(jīng)過對上述數(shù)據(jù)對比分析可知，圍巖水平位移量會隨錨固強度持續(xù)增大而逐漸減小，直到接近于零.自此以后錨固效果不會因錨固強度的增大有太多的變化，圍巖基本上處于穩(wěn)定狀態(tài).利用Tecplot和Origin軟件對所得數(shù)據(jù)進行處理，繪制出5種錨固強度在20MPa原巖應力下距巷道中心距離和圍巖水平位移量之間的關系曲線，如圖6所示：

通過對圖2、圖4、圖6對比分析可知，錨桿和錨索的長度分別取2米和6米，取尺寸是5.0m×4.0m斷面的中硬煤為研究對象.選擇大小不一樣的錨固強度（單位長度上的粘結力）進行數(shù)值模擬分析，在8MPa、14MPa和20MPa的原巖應力下，圍巖的水平位移量值分別為：117mm、364mm和948mm，通過數(shù)據(jù)可知當原巖應力不斷增大，圍巖的水平方向的位移量也不斷地增大.在8MPa原巖應力作用下，錨固強度從1增大到5時，圍巖水平位移量減小39mm;在14MPa原巖應力作用下，錨固強度從1增大到5時，圍巖水平位移量減小136mm;在20MPa原巖應力作用下，錨固強度從1增大到5時，圍巖水平位移量減小427mm;通過上面數(shù)據(jù)分析可知，在原巖應力增大的同時，增大同樣錨固強度，圍巖水平位移量減小值會變大.由此可知，在原巖應力不斷增大的圍巖中，想要更好地改善圍巖支護效果，可以通過改變錨固強度來實現(xiàn).

3 結論

在相同原巖應力的條件下，通過不斷地增加錨固劑的錨固強度，會發(fā)現(xiàn)圍巖水平方向的位移量會出現(xiàn)逐漸減小的現(xiàn)象，直到接近于零，處于穩(wěn)定狀態(tài).至此以后錨固效果不會因錨固強度的增大而有太多的改變，圍巖基本上處于穩(wěn)定狀態(tài).根據(jù)不同的實際狀況，選擇不同的錨固強度，選擇最合適的支護方式，在最經(jīng)濟合理的情況下達到預期的支護效果.

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