深部軟弱煤巷預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果分析

徐 盼

銅陵學(xué)院建筑工程學(xué)院，安徽銅陵，244000

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國深部的煤炭資源量約占全國已探明煤炭資源總量的一半，目前淺部煤炭資源已逐漸開采完畢,煤礦開采將進(jìn)入深部開采階段[1-4]。深部巷道處于“三高一擾動(dòng)”環(huán)境中，巷道幫部普遍存在顯著變形而失穩(wěn)破壞的情況，松散軟巖巷道尤其如此。依據(jù)巖承理論，圍巖喪失穩(wěn)定需要一個(gè)過程，如果在圍巖喪失穩(wěn)定前提供必要的支護(hù)，圍巖仍將保持穩(wěn)定狀態(tài)[5]。錨桿支護(hù)作為巷道支護(hù)的主要支護(hù)形式，確定合理的預(yù)緊力對于維持巷道穩(wěn)定性及延長巷道服務(wù)年限，降低返修成本至關(guān)重要。已有學(xué)者提出,提高錨桿預(yù)緊力可使淺部的組合梁與深部的承載拱有效耦合，減小頂板層間離層，提高圍巖的穩(wěn)定性[6-7]。圍巖穩(wěn)定性與圍巖表面位移、塑性區(qū)范圍密切相關(guān)[8-9]。本文利用FLAC3D軟件，選擇應(yīng)變軟化模型，結(jié)合工程實(shí)際，模擬松散煤巷在不同預(yù)緊力下圍巖破壞形態(tài)、應(yīng)力場(豎向應(yīng)力及成拱系數(shù))及位移場(位移量及位移梯度)變化特征，從而較為定性地確定錨桿預(yù)緊力與圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系，確定較為合理的預(yù)緊力，在達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果前提下降低施工難度。

1 計(jì)算模型建立與模擬方案

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

以安徽省兩淮地區(qū)典型的某礦為例建立模型。模型中，巷道斷面形狀為矩形，寬5 m，高4 m，巷道埋深H=800 m，巷道兩幫為煤巖，頂?shù)装鍨槟鄮r。據(jù)實(shí)測結(jié)果巷道所處位置垂直應(yīng)力σz=16.8 MPa，水平應(yīng)力σx=σy=17.8 MPa；考慮邊界效應(yīng)的影響，模型計(jì)算范圍為X方向50 m，Y方向20 m，Z方向50 m，為提高計(jì)算的精確性，巷道內(nèi)部網(wǎng)格劃分較細(xì)，漸變比例為1.1，其他區(qū)域等距劃分網(wǎng)格，左右邊界X方向約束，前后邊界Y方向約束，下邊界Z方向約束，上邊界為自由邊界，施加原巖應(yīng)力?？紤]到開挖擾動(dòng)使圍巖巖性變差，數(shù)值計(jì)算模型采用應(yīng)變軟化模型，但不考慮耦合效應(yīng)。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖1，煤及泥巖相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1?？紤]到單元體網(wǎng)格點(diǎn)較多，幫部圍巖巖性較差，本文僅選取幫部OA方向上的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行分析，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

表1 煤及泥巖相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型 圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

1.2 本構(gòu)模型

通過現(xiàn)場取樣并制成標(biāo)準(zhǔn)試件，在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。對獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到FLAC3D的應(yīng)變軟化模型中煤及泥巖損傷強(qiáng)度c、φ隨塑性剪切系數(shù)εPS(用塑性剪切應(yīng)變與剪脹角表示)[10]的衰減回歸方程如下：

(1)

(2)

式(1)(2)中0.7、20.0、1.3、26.5分別為煤及泥巖的殘余黏結(jié)力、殘余內(nèi)摩擦角。

通過上面兩式可以看出，當(dāng)εPS→時(shí)，損傷強(qiáng)度c、φ趨于殘余強(qiáng)度一般認(rèn)為當(dāng)試件黏結(jié)力降低至?xí)r，巖石已進(jìn)入殘余變形階段。根據(jù)回歸方程式(1)(2)可得出煤及泥巖的應(yīng)變軟化本構(gòu)關(guān)系，如表2所示。

表2 煤及泥巖損傷強(qiáng)度c、φ隨塑性剪切系數(shù)εPS變化(應(yīng)變軟化本構(gòu)關(guān)系)

1.3 模擬方案

錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬，錨桿直徑22 mm，長度2.4 m，錨固段0.8 m，自由端1.6 m，間排距800 mm×1 000 mm，頂板布置7根錨桿，兩幫分別布置5根錨桿，具體錨桿布置示意圖如圖3所示。彈性模量200 GPa，拉斷荷載266 KN，托盤采用端部設(shè)置極大錨固劑參數(shù)模擬。為分析不同錨桿預(yù)緊力對圍巖穩(wěn)定性的影響，分別模擬錨桿預(yù)緊力0 KN、20 KN、40 KN、60 KN、80 KN、100 KN、120 KN時(shí)圍巖應(yīng)力場、位移場分布。

圖3 巷道錨桿布置示意圖

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 圍巖塑性區(qū)分析

不同方案下圍巖塑性區(qū)分布如圖4所示(由于篇幅有限，只給出預(yù)緊力為0 KN和80 KN時(shí)的分布圖)，利用Fish語言編程獲取的塑性區(qū)面積隨預(yù)緊力變化如圖5所示。

觀察圖4可知，圍巖的破壞主要是拉伸破壞(tension-p)、剪切破壞(shear-n、shear-p)及拉伸與剪切疊加三種形式。巷道圍巖的淺部區(qū)域主要發(fā)生拉伸破壞，而剪切破壞區(qū)發(fā)生在深部區(qū)域。

圖4 不同方案下圍巖塑性區(qū)分布

由圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，塑性區(qū)面積大大減小。當(dāng)無預(yù)緊力時(shí)，塑性區(qū)面積達(dá)到219 m2，預(yù)緊力為20 KN時(shí)，塑性區(qū)面積減小為198 m2，降幅為9.59%。當(dāng)預(yù)緊力在20KN-80KN時(shí)，塑性區(qū)面積平均降速為1.19 m2/KN；當(dāng)預(yù)緊力大于80 KN時(shí)塑性區(qū)面積幾乎保持不變，平均降速僅為0.12 m2/KN，再增加預(yù)緊力對于減小塑性區(qū)面積意義不大。

圖5 塑性區(qū)面積隨預(yù)緊力變化

塑性區(qū)面積與錨桿預(yù)緊力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系(見圖5)，此地質(zhì)條件下二者滿足關(guān)系式：

S=125.0+97.9e-P/48.3

(3)

2.2 位移場分析

為獲取監(jiān)測方向上(OA)各點(diǎn)處的位移及豎向應(yīng)力值，將不同方案下數(shù)值模擬模擬結(jié)果導(dǎo)入tecplot中進(jìn)行處理。不同方案下OA方向位移量、位移梯度隨距離變化曲線如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，錨桿無預(yù)緊力時(shí)，幫部位移量最大達(dá)到248 mm，在巷道表面1 m范圍內(nèi)，幫部位移量量均在160 mm以上。當(dāng)預(yù)緊力為20 KN時(shí)，幫部最大位移量為220 mm，較無預(yù)緊力時(shí)減少11.2%，隨著預(yù)緊力的增大，位移量大大減小，預(yù)緊力為80 KN時(shí)，幫部最大位移量僅為152 mm，降幅達(dá)38.7%。當(dāng)預(yù)緊力大于80 KN時(shí)，各曲線幾乎重合，位移減小量很小，幾乎不變。

位移梯度可反映圍巖的破碎程度，位移梯度越大，說明圍巖越破碎。觀察圖6(b)可以看出，位移梯度曲線呈現(xiàn)“馬鞍型”，說明由于錨桿的錨固作用，形成了一定厚度的承壓拱，錨固區(qū)內(nèi)圍巖破碎程度較低，較為完整，而深部一定范圍內(nèi)圍巖破碎程度較高，預(yù)緊力越大，效果越明顯。隨著預(yù)緊力的增大，錨固區(qū)內(nèi)壓應(yīng)力區(qū)相互疊加，位移梯度逐漸減小，同區(qū)域內(nèi)圍巖破碎程度越低，圍巖完整性越好。當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到80 KN時(shí)，位移梯度降幅與無預(yù)緊力時(shí)相比最明顯，超過80 KN后，幾乎不再變化。

圖6 不同方案下OA方向位移量及位移梯度隨距離的變化

2.3 應(yīng)力場分析

不同方案下OA方向豎直應(yīng)力及成拱系數(shù)隨距離變化曲線如圖7所示。

圖7 不同方案下OA方向豎直應(yīng)力及成拱系數(shù)隨距離的變化

由圖7(a)可以看出，施加預(yù)緊力可以使幫部豎直應(yīng)力峰值向巷道方向移動(dòng)，預(yù)緊力越大，移動(dòng)量越大，說明預(yù)緊力錨桿可以較好地改善巷道淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖穩(wěn)定性，當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到60 KN時(shí)，峰值位置移動(dòng)了約2.5 m，但當(dāng)預(yù)緊力超過60 KN后，移動(dòng)不明顯。依據(jù)成拱系數(shù)及塑性區(qū)分布得出不同方案下壓力拱內(nèi)外邊界見圖8。

圖8 不同方案下壓力拱內(nèi)外邊界位置

觀察圖8可知，隨著預(yù)緊力的施加及增大，壓力拱內(nèi)外邊界均向巷道表面內(nèi)移，壓力拱厚度也有一定減小，說明淺部圍巖的穩(wěn)定性越好，被破壞和參與承載的圍巖越少。預(yù)緊力在20 KN～80 KN時(shí)，內(nèi)移最明顯，超過80 KN后，內(nèi)移量及厚度變化很小，幾乎不變。

3 結(jié) 論

(1)采用數(shù)值模擬方法并根據(jù)回歸分析，可以得出塑性區(qū)面積隨錨桿預(yù)緊力變化呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，在一定范圍內(nèi)增大錨桿預(yù)緊力可以大大減小塑性區(qū)面積，但當(dāng)預(yù)緊力增大到一定程度后，塑性區(qū)面積變化不大。

(2)增大錨桿預(yù)緊力可以一定程度上減小圍巖形變量，使幫部豎直應(yīng)力峰值及壓力拱內(nèi)外邊界向巷道方向移動(dòng)，改善巷道淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高淺部圍巖完整性及穩(wěn)定性。

(3)對于類似地質(zhì)條件下的巷道，錨桿預(yù)緊力在60 KN～80 KN之間較為合理。