不同錨固參數(shù)下某軟巖巷道圍巖加固效果仿真分析

殷海波，楊自友，程長清

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

巷道的安全性和穩(wěn)定性決定了煤礦的高效生產(chǎn).然而由于煤礦所處地質(zhì)條件的復雜性，巷道圍巖的穩(wěn)定性得不到保證，尤其是軟巖巷道圍巖.為了確保軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定，不少學者針對支護方案的優(yōu)化改進作了大量研究.張學軍通過分析某煤礦的地質(zhì)條件，對軟巖巷道圍巖的破壞原理提出針對性聯(lián)合支護方案[1].張小剛等通過數(shù)值模擬手段，對軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定性及支護方案進行研究，為解決軟巖巷道圍巖變形嚴重和支護困難問題提供了借鑒[2].徐耀等分析了糯東煤礦軟巖巷道的破壞原理，提出了錨網(wǎng)索、可伸縮U形鋼聯(lián)合加強支護方案[3].部分學者針對軟巖巷道圍巖的穩(wěn)定性提出了一系列的支護方案[4-7].也有學者研究了錨桿在軟巖巷道圍巖支護中發(fā)揮的重要作用，分析了錨桿的支護原理[8-11].

本文結(jié)合山西某煤礦軟巖巷道進行錨桿支護，利用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，建立開挖巷道模型和開挖后的錨桿支護模型，仿真分析了巷道圍巖應力、位移以及塑性區(qū)分布由于錨桿長度、間距的不同有何具體變化，對比得出了錨桿間距和長度改變對圍巖加固的不同效果，從而確定1組最優(yōu)的錨固參數(shù)，為巷道支護時既保證穩(wěn)定性又兼顧經(jīng)濟性提供一定的依據(jù).

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

煤礦地處臨汾市，距市區(qū)不足50 km，交通發(fā)達，地理位置重要.采區(qū)運輸巷道長為3.6 km，煤層面積為5.683 km2，受產(chǎn)業(yè)集群效應的影響，在礦區(qū)周圍分布著許多小礦.礦區(qū)整體地勢呈現(xiàn)出四周高、中間低的特點，而且北面山巖地形比較突出.

1.2 地質(zhì)條件

采煤作業(yè)面煤層為2號和9+10號，可開采煤層厚度7.57 m.以9+10號煤層為例，其工作面上方為K2灰?guī)r，比2號煤層低82.10～104.80 m，2號煤層的巖體構(gòu)造比9+10號煤層簡單許多.9+10號煤層開采容易，適合作業(yè).煤層的上方幾乎都是K2灰?guī)r，灰?guī)r厚度為13.0～14.0 m，深灰色-黑灰色鈣質(zhì)膠結(jié)，含有許多海洋生物化石.煤層比較穩(wěn)定，安全性比較有保證，不會發(fā)生層體移動的問題.

2 破壞機理及加固方案

2.1 軟巖巷道破壞機理

軟巖巷道圍巖強度比較低，所能承載的應力極限小.巷道在開挖之前，巖體是處于三向應力的平衡狀態(tài)，巷道的開挖使得圍巖應力進行重新分布，巷道所承載的垂直應力和水平應力都相應地增大，在二者的共同作用下，巷道圍巖很容易形成應力集中區(qū)，進而使得巷道圍巖由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變.由于塑性區(qū)內(nèi)巖體的黏聚力已經(jīng)基本消失，主要依靠巖塊間的摩檫力維持巖體自身的穩(wěn)定，煤體的承載力大幅度降低，處于一種極不穩(wěn)定的狀態(tài).再加上外界的擾動作用，圍巖的塑性范圍會進一步擴大，導致巷道圍巖發(fā)生頻繁的剪切破壞,最終使巷道發(fā)生變形破壞.巷道圍巖的變形破壞是由于高集中應力和煤體剪切破裂面共同作用形成的，巷道圍巖應力集中到一定的程度后，則會出現(xiàn)較大規(guī)模的整體剪切破壞.軟巖巷道圍巖中含有的蒙脫石和伊利石等成分遇水易軟化，進一步降低了圍巖的強度，加快了軟巖巷道的破壞.

2.2 加固方案參數(shù)確定

錨桿長度、間距、直徑等參數(shù)對支護的效果影響較大，但也有其合理值，一定程度的支護可以較好地限制位移變形，并且保證經(jīng)濟性.錨桿與圍巖通過錨固力進行相互作用，兩者之間的作用力影響著巷道的穩(wěn)定性，決定著錨桿參數(shù)的選擇.在設計巷道支護方案時要充分考慮錨桿參數(shù)，控制不利的影響，增加有利的錨固效果因素.本文主要考慮錨桿長度和間距對圍巖支護效果的影響，根據(jù)錨桿支護參數(shù)設定方面的理論研究，并結(jié)合所模擬的巷道地質(zhì)特性，確定了5種不同支護方案下的錨桿參數(shù)，具體的參數(shù)設置如表1所示.

表1 不同方案錨桿參數(shù)設置

3 FLAC 3D計算模型的建立

3.1 FLAC 3D分析原理

FLAC 3D采用混合離散法進行計算,求解時將模型劃分為四面體進行計算.如圖1所示，四面體節(jié)點編號分別為1、2、3、4，以n表示第n個面，四面體中任一點的速率分量為vj，根據(jù)高斯公式得

(1)

式中：v為四面體的體積；s為四面體的表面積；nj為四面體面上單位法向量.

圖1 四面體

每個四面體單元都是常應變，所以nj為常量，vj服從線性分布，根據(jù)式(1)得

(2)

式中：l為節(jié)點l的變化值；(l)為l面的變化值.

FLAC 3D選取節(jié)點為計算對象，質(zhì)量和力都作用在節(jié)點上，節(jié)點的運動方程為

(3)

將(3)式左端進一步求解得

(4)

FLAC 3D使用曲率來計算四面體應變過程中的增加量，可得

(5)

求得應變增加值后，應力增加量通過本構(gòu)方程求得.最后將各個時間增量對應的應力增加值進行疊加，得到總的應力值.

靜力分析下進行求解時，F(xiàn)LAC 3D中設置了非粘性阻尼，以此來考慮式(3)中的不平衡力，從而使得系統(tǒng)不平衡力趨于零，所以(3)式變?yōu)?/p>

(6)

式中：當y>0時，sign(v)=+1；當y<0時，sign(v)=-1；當y=0時, sign(v)=0；α是阻尼系數(shù)，其默認值為0.8.

3.2 力學特性和力學參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場提取的巖樣分析，該軟巖巷道圍巖主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r以及鋁質(zhì)泥巖組成.利用現(xiàn)場采集的巖樣，根據(jù)理論知識進行物理力學試驗，得到巷道圍巖物理力學性質(zhì)如表2所示.

表2 巷道圍巖物理力學性質(zhì)

判斷材料進入塑性階段的準則一般情況下采用屈服準則，此準則的表達式有多種，以摩爾-庫侖定律為基礎的摩擦屈服準則在巖石力學與工程中被廣泛應用.現(xiàn)采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查和室內(nèi)巖石力學試驗確定巷道圍巖物理力學參數(shù)(見表3).

表3 巷道圍巖物理力學參數(shù)

3.3 模型的建立

為了更好地滿足計算需要和工程精確度，建立的模型尺寸大小為30 m×30 m×30 m.即，垂直于巷道走向方向取30 m并定為x軸；沿著巷道方向取30 m且定為y軸；沿著鉛錘方向取30 m并定為z軸.巷道埋深約400 m，根據(jù)巷道上部覆蓋巖層的巖性，利用高度與荷載的關系，現(xiàn)對模型上部施加 13 MPa的均布荷載.數(shù)值模擬選用摩爾-庫侖彈塑材料模型，遵循摩爾-庫侖破壞準則.地層和錨桿分別采用實體結(jié)構(gòu)單元和Cable結(jié)構(gòu)單元，具體的巷道開挖模型和巷道錨桿支護模型如圖2所示.

圖2 巷道模型

4 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

根據(jù)前面建立好的模型，現(xiàn)取1/2圓拱直墻形巷道，巷道高度為8 m，邊墻高4 m，巷道半徑4 m，埋深約為400 m.現(xiàn)根據(jù)經(jīng)驗取6倍的巷道半徑為圍巖影響區(qū)，取24 m為邊界，分析靜態(tài)荷載作用下，利用上述5種方案對巷道圍巖進行錨固時圍巖的應力、位移、塑性破壞區(qū)云圖的變化情況.

4.1 應力分析

由理論分析可知，在沒有開挖巷道之前，原始圍巖內(nèi)力處于一個平衡狀態(tài)，開挖擾動了圍巖，破壞了這種平衡，原始圍巖應力重新分布，使得圍巖的穩(wěn)定性得不到保證.開挖后應及時進行支護，并對支護后的圍巖應力分布進行研究.利用FLAC 3D軟件計算出來的圍巖水平、垂直應力情況如圖3～4所示.

對比圖3～4中M1、M2、M3可知，當錨桿長度不變、錨桿間距由120 cm變?yōu)?0 cm時，圍巖水平最大應力由20.5 MPa減小為12.75 MPa，垂直最大應力由最初的24.34 MPa變?yōu)闉?3.96 MPa.由此可知，減小錨桿間距使得圍巖水平最大應力明顯減小，而垂直最大應力變化不大.

圖3 水平應力云圖(單位：Pa)

圖4 垂直應力云圖(單位：Pa)

對比圖3～4中的M3、M4、M5可知，當錨桿間距一定、錨桿長度由300 cm增大到700 cm時，水平最大應力由12.75 MPa減小至11.74 MPa，垂直最大應力由23.96 MPa減小至23.05 MPa，水平最大應力和垂直最大應力都出現(xiàn)了小幅度的下降.將M1、M2、M3與M3、M4、M5之間作一個橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)減小錨桿間距對圍巖應力的改善效果要比增大錨桿長度更好一點.

由圖3～4還可以發(fā)現(xiàn)：隨著錨桿間距的減小和錨桿長度的增大，水平最大應力點越靠近巷道頂板，豎直最大應力越靠近巷道的兩幫；減小錨桿間距時，垂直應力在巷道的兩幫均勻分布，沒有出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象；增大錨桿長度時，巷道兩幫的垂直應力有一定的集中趨勢.根據(jù)應力分布規(guī)律，在進行巷道支護時要確定合理的錨桿間距和長度.

4.2 位移分析

巷道位移的變化與巷道開挖應力重新分布有關，開挖巷道破壞了原始圍巖內(nèi)力的平衡狀態(tài)，使得圍巖應力重新分布.在這個過程中導致圍巖產(chǎn)生一定的位移量，當位移量過大時，圍巖無法穩(wěn)定.所以開挖后要及時采用錨桿進行支護，限制圍巖的位移.錨固參數(shù)的不同，對圍巖的位移限制效果也不同，利用FLAC 3D模擬計算所得5種方案下的位移結(jié)果如圖5～6所示.

圖5 垂直位移(單位：m)

圖6 水平位移(單位：m)

對比圖5～6中的M1、M2、M3可知：在不改變錨桿長度前提下，減小錨桿的間距，巷道幫部和頂部錨桿數(shù)量增加，錨桿給予的支護加強，水平和垂直位移明顯減小；但當錨桿間距減小到一定程度時，位移的改變量是微小的.

對比圖5～6中的M3、M4、M5發(fā)現(xiàn)：錨桿間距一定、增大錨桿長度時，水平位移和垂直位移明顯減??；但當錨桿長度增大到一定程度，位移的減小量也是不太明顯.

減小錨桿間距和增大錨桿長度對限制圍巖的位移都起到了很好的效果，提高了圍巖的穩(wěn)定性；但將M1、M2、M3與M3、M4、M5之間作一個橫向比較又可以發(fā)現(xiàn)，減小錨桿間距對圍巖位移的限制效果比增大錨桿長度更好.

4.3 塑性區(qū)分析

巷道開挖后，導致一定范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生松動，及時采用錨桿進行支護，阻止巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展非常重要.模擬計算出的5種方案下的塑性區(qū)分布情況如圖7所示.

對比圖7中的M1、M2、M3可知：錨桿長度不變、減小錨桿間距時，圍巖塑性區(qū)范圍明顯減小；當間距一定，增大錨桿長度，圍巖的塑性區(qū)范圍也明顯減小.所以，減小錨桿間距和增大錨桿長度都可以很好地限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展；但將M1、M2、M3與M3、M4、M5之間作一個橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，減小錨桿間距對圍巖塑性區(qū)的限制效果要比增大錨桿長度明顯.

圖7 塑性區(qū)

5 結(jié)論

1) 與增大錨桿長度相比，減小錨桿間距對圍巖應力的改善以及對位移和塑性區(qū)的限制效果要更好.

2) 在減小錨桿間距和增大錨桿長度的過程中，水平最大應力點逐步靠近巷道的頂板，豎向最大應力點向兩幫逐漸靠近.

3) 減小錨桿間距時，巷道兩幫的垂直應力沒有明顯的集中現(xiàn)象，而在增大錨桿長度的過程中，垂直應力在巷道的兩幫有集中的趨勢.

4) 在本文的模擬范圍內(nèi)，錨桿長度為300 cm，錨桿間距為80 cm對圍巖的加固效果較好.