動載對巷道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)擾動作用的數(shù)值模擬*

王金羽,王正義,李鵬波,蔡啟輝,章凌宇,王文龍,丁康

(常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,江蘇 常州 213032)

覆巖斷裂、掘進(jìn)爆破所引發(fā)的采掘擾動是煤礦地下開采過程中的常見現(xiàn)象,常引起采場和巷道圍巖失穩(wěn),嚴(yán)重時(shí)可誘發(fā)沖擊地壓等動力災(zāi)害[1-3].

近年來,許多學(xué)者已經(jīng)對動載誘發(fā)沖擊地壓做了較為深入研究.宮鳳強(qiáng)等[4]通過真三軸加載試驗(yàn)研究了深部圓形隧洞板裂屈曲巖爆的發(fā)生過程,發(fā)現(xiàn)巖爆過程可劃分為平靜期、細(xì)顆粒彈射和剝落期、板裂屈曲破壞和強(qiáng)烈破壞4個(gè)時(shí)期.馬念杰等[5]研究了均質(zhì)圓形巷道圍巖塑性破壞區(qū)的產(chǎn)生,指出圍巖蝶形塑性區(qū)瞬間出現(xiàn)急劇、跳躍式擴(kuò)展從而釋放大量彈性能是巷道發(fā)生沖擊的原因；姜福興等[6]以臨空巷的應(yīng)力場分布為切入點(diǎn),建立了相應(yīng)的工程力學(xué)模型,分析得到了臨空巷沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力條件、應(yīng)力梯度條件及煤體的沖擊傾向性條件,并推導(dǎo)了沖擊危險(xiǎn)的工程判據(jù)；謝龍等[7]研究了不同側(cè)壓系數(shù)對動載誘發(fā)巷道底板沖擊地壓的影響；何江[8]通過對煤礦不同能級礦震的最大峰值速度和動載應(yīng)變率進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì),模擬采動動載誘發(fā)煤巖沖擊破壞的內(nèi)在機(jī)制.

然而,巷道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿才是維護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和承受動力荷載的核心構(gòu)件,其動態(tài)響應(yīng)規(guī)律和失效特性是巷道沖擊地壓研究需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題,但目前的相關(guān)研究還較少,認(rèn)識還不夠深入.基于此,文章以陜西胡家河礦為工程背景,建立了巷道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型,研究巷道不同位置錨桿軸力的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律,分析動載能量和位置對巷道錨桿支護(hù)的影響,并提出針對性的抗沖防控建議,可為預(yù)防動載誘發(fā)巷道沖擊地壓提供一定參考.

1 數(shù)值模型建立

基于陜西胡家河礦實(shí)際條件建立數(shù)值計(jì)算模型,如圖1所示.圖1中,模型的尺寸為55 m×80 m,巷道尺寸為5 m×4 m.采用Cable單元模擬全長錨固錨桿,每根錨桿劃分為10個(gè)單元,錨桿長度2 m,錨桿直徑22 mm,錨桿間排距0.8 m.

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則,模型兩側(cè)邊界設(shè)為水平簡支約束,固定兩側(cè)邊界水平方向位移,下部邊界設(shè)為固支約束固定其水平和垂直方向位移,上部邊界根據(jù)埋深條件施加均布載荷,根據(jù)礦井實(shí)際條件,模擬埋深600 m,模型上邊界均布載荷15 MPa.模型物理力學(xué)特性參數(shù)[9]見表1.

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

在靜力平衡基礎(chǔ)上,在距巷道20 m粗砂巖頂板位置處施加能量為1×106J震源,動載形式為正弦波,頻率20 Hz,作用時(shí)間為0.1 s(2個(gè)周期).采用靜態(tài)邊界設(shè)置,視巷道圍巖為平面應(yīng)變問題.

以錨桿軸力為主要分析對象,研究巷道不同位置錨桿軸力的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律;此外,通過改變動載能量和動載位置,來模擬不同能級震源和不同位置震源對巷道錨桿支護(hù)的影響.

2 巷道錨桿支護(hù)動力損傷失效特性

2.1 巷道錨桿支護(hù)動態(tài)響應(yīng)規(guī)律

選取巷道頂板垂向錨桿、頂板斜向錨桿(仰角60°)、幫部水平錨桿、幫部斜向錨桿(仰角30°)的第1，3，5，7和10單元作為研究對象(單元1和10分別表示距巷道表面最近處和最遠(yuǎn)處的錨桿單元),分析巷道錨桿支護(hù)的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律.巷道錨桿軸力時(shí)程曲線如圖2所示.由圖2a可知,動載下頂板垂向錨桿各單元軸力沒有立即發(fā)生變化,表明應(yīng)力波加載后需經(jīng)一段時(shí)間傳播至錨固圍巖,然后才對支護(hù)體產(chǎn)生影響.頂板垂向錨桿各單元軸力在動載下開始下降(臨近震源處的10號單元軸向力出現(xiàn)負(fù)值,即呈受壓狀態(tài)),隨后錨桿軸力開始迅速增大,最后達(dá)到峰值點(diǎn),在峰值點(diǎn)附近小范圍震動直到應(yīng)力波加載結(jié)束.此外,距離震源位置越近,錨桿軸力波動越大,靠近巷道表面錨桿單元軸力波動值相比近震源側(cè)錨桿單元減小量較大,表明應(yīng)力波在傳播過程中發(fā)生衰減,并且衰減的幅值較大.

圖2 巷道不同位置錨桿軸力時(shí)程曲線

由圖2b可知,頂板斜向錨桿中間單元與近震源側(cè)單元軸力在應(yīng)力波影響下開始下降,并出現(xiàn)波動,而近巷道表面錨桿軸力并沒有下降,而是在應(yīng)力波擾動下錨桿軸力直接增大.與頂板垂向錨桿相比,其錨桿軸力波動幅值較小,波動周期較短,表明應(yīng)力波對頂板斜向錨桿軸力影響比對頂板垂向錨桿小.由圖2c可知,幫部水平錨桿各單元軸力在動載影響下迅速增大,最后達(dá)到峰值點(diǎn),在峰值點(diǎn)附近小范圍震動直到應(yīng)力波加載結(jié)束.同樣的,靠近巷道表面的錨桿單元軸力波動值相比近震源側(cè)錨桿單元減小量較大.由圖2d可知,由于幫部斜向錨桿距離震源位置相比水平錨桿較近,幫部斜向錨桿軸力在動載擾動下出現(xiàn)小范圍波動.

綜上,震源對錨桿軸力的影響與震源位置距錨桿距離有關(guān),錨桿距離震源越近錨桿軸力受到的影響越大[10].但錨桿軸力變化主要是由于應(yīng)力波擾動下圍巖失穩(wěn),錨桿與巖體之間剪切力增大,錨桿承受較大的支撐力,錨桿軸力增大.

2.2 動靜載下巷道錨桿支護(hù)受力對比

靜載模型加載情況:按照第1節(jié)中的模型尺寸、材料參數(shù)和邊界條件建立數(shù)值模型并計(jì)算至模型初始平衡;然后按巷道尺寸開挖巷道,并采用Cable單元設(shè)置巷道錨桿,再次計(jì)算錨固巷道模型至新的應(yīng)力平衡.此外,動載模型加載情況:在上述靜載模型的靜力平衡基礎(chǔ)上,按照第1節(jié)中的動力參數(shù)在距巷道20 m粗砂巖頂板位置處施加能量為1×106J震源.分別記錄和比較動靜載下巷道不同位置錨桿軸力的分布結(jié)果,如圖3所示.由圖3a可知,頂板垂向錨桿軸力在臨近巷道表面前半段緩慢上升,而在后半段錨桿軸力迅速增大,在距表面1.6 m處達(dá)到最大值,之后在最大值附近波動.由圖3b可知,頂板斜向錨桿軸力峰值位置與靜載時(shí)相同,峰值過后錨桿軸力出現(xiàn)波動,整體呈下降趨勢.由圖3c和圖3d可知,幫部水平錨桿與斜向錨桿在施加動載前后的錨桿軸力分布規(guī)律整體保持不變,僅在數(shù)值上有所提高,錨桿軸力最大值位置也與靜載時(shí)相同,并且在峰值點(diǎn)位置錨桿軸力變化幅度大.綜上可知,動載下錨桿軸力峰值點(diǎn)位置保持不變,與靜載條件下相同;而頂板垂直錨桿和斜向錨桿的軸力波動較大,尤其是頂板斜向錨桿軸力分布不均衡,表明頂板圍巖受到應(yīng)力波擾動影響較大.

圖3 動靜載下巷道不同位置錨桿軸力分布對比

動載下巷道不同位置錨桿軸力最大值分布曲線如圖4所示.由圖4可知,動載擾動下頂板垂向錨桿軸力最大值約為380 kN,幫部水平和斜向錨桿軸力都達(dá)到500 kN,頂板斜向錨桿軸力最大值為750 kN,表明在距巷道頂板20 m處施加1×106J的動載時(shí),錨桿軸力都達(dá)到其屈服極限,錨桿失效或被拉斷,無法起到支撐巷道穩(wěn)定的作用.此外,頂板斜向與幫部斜向錨桿軸力最大值均比頂板垂向和幫部水平錨桿的大,且錨桿軸力峰值點(diǎn)位置更靠近巷道表面,這是由于斜向錨桿位于巷道四角位置處,巷道圍巖應(yīng)力相對較大,動載下該處圍巖表面破碎嚴(yán)重,使得錨桿需對圍巖提供較大的支撐力,因此相應(yīng)的錨桿軸力較大.

圖4 動載下巷道不同位置錨桿軸力最大值分布曲線

3 動載因素對錨桿支護(hù)損傷失效的影響

3.1 動載能量的影響

以頂板垂向錨桿為分析對象,獲得不同能量級別礦震擾動下錨桿軸力增量曲線,如圖5所示.由圖5可知,在1×103J和1×104J礦震擾動下,錨桿軸力增量不大,幾乎沒有影響,在距離震源最近處,錨桿軸力分別增加約25 kN和50 kN;而能量在1×105J以上的礦震對巷道影響較大,錨桿軸力增加顯著,其中1×105J礦震下錨桿軸力最大增量為120 kN,而1×106J礦震下軸力增量為300 kN,此時(shí)錨桿發(fā)生破斷失效.此外,靠近巷道表面的錨桿單元軸力增量不大,礦震主要影響靠近震源側(cè)的錨桿單元,因此錨桿在礦震擾動下發(fā)生破斷大都發(fā)生在錨桿中點(diǎn)及中點(diǎn)靠震源側(cè)位置.基于上述分析,若在頂板關(guān)鍵層位置處(距離巷道20 m)發(fā)生能量大于1×105J的礦震,應(yīng)密切關(guān)注錨桿支護(hù)情況.

圖5 不同能量級別礦震擾動下錨桿軸力增量

3.2 動載位置的影響

相同能量(1×106J)礦震在不同距離條件下的頂板垂向錨桿軸力最大值分布如圖6所示.由圖6可知,靠近巷道表面的錨桿單元軸力增量不大,礦震主要影響靠近震源側(cè)的錨桿單元,因此錨桿在礦震擾動下發(fā)生破斷大都發(fā)生在錨桿中點(diǎn)及中點(diǎn)靠震源側(cè)位置.在1×106J能量礦震影響下,當(dāng)震源距離巷道大于32 m時(shí),錨桿各單元軸力最大值基本不變;當(dāng)震源距離巷道小于32 m時(shí),遠(yuǎn)離震源側(cè)錨桿單元軸力相差不大,而錨桿單元越靠近震源則其軸力變化幅度越大,表明近震源側(cè)錨桿單元受到擾動影響較大[11].

圖6 不同距離礦震擾動下錨桿軸力最大值分布

頂板垂向錨桿軸力最大值隨震源距巷道距離變化曲線如圖7所示.由圖7可知,震源距離巷道依次為17，22，…，42 m時(shí),錨桿軸力最大值分別為400，290，220，180，180，180 kN,錨桿軸力大致呈指數(shù)型函數(shù)衰減,表明應(yīng)力波在傳播過程中衰減規(guī)律,即距離震源越近應(yīng)力波幅值衰減速度越快,而隨著傳播距離的增大,應(yīng)力波衰減速度逐漸減小[12].當(dāng)震源距巷道距離小于27 m時(shí),錨桿軸力大于220 kN,此時(shí)錨桿可能發(fā)生拉斷失穩(wěn).

圖7 錨桿軸力最大值隨震源距巷道距離變化曲線

4 巷道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖防控建議

基于上述數(shù)值模擬分析結(jié)果,從如下2個(gè)方面提出巷道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖防控建議.

4.1 改善錨桿支護(hù)參數(shù)

對于巷道錨桿,為抵御強(qiáng)動載擾動,錨桿應(yīng)同時(shí)具備高強(qiáng)度與讓壓特性[13].對于全長錨固錨桿,其最大軸力處是最易發(fā)生拉斷的位置,需在該處布置可伸長的讓壓構(gòu)件,以克服巷道圍巖的沖擊變形.此外,可適當(dāng)增大錨桿布置密度,在錨固結(jié)構(gòu)失效的位置補(bǔ)打錨桿實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng).

4.2 煤巖體強(qiáng)度弱化

可采用大直徑鉆孔卸壓、煤體爆破卸壓等防控措施[14，15].大直徑卸壓鉆孔(孔徑>100 mm)一般布置在工作面超前區(qū)域,通過排出鉆孔內(nèi)的煤粉,使煤體破壞區(qū)擴(kuò)大,從而降低煤巖體的沖擊危險(xiǎn)性.煤體卸壓爆破鉆孔孔徑一般為42 mm,通過爆破能夠充分釋放煤巖體中的彈性能,使采動高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至煤體深部.

5 結(jié)論

1)應(yīng)力波施加后,錨桿軸力并沒有立即發(fā)生變化,當(dāng)應(yīng)力波傳播至巷道錨桿處引起錨桿軸力波動,而后迅速上升達(dá)到極值并保持穩(wěn)定.動載下錨桿軸力峰值位置與靜載下的相同且該處軸力變化幅度最大.相對幫部錨桿而言,頂板錨桿受應(yīng)力波擾動影響較大.

2)錨桿在動載擾動下破斷位置大都位于錨桿中點(diǎn)及中點(diǎn)靠震源側(cè).應(yīng)力波能量越大、震源距巷道越近,錨桿軸力增量越大.應(yīng)力波在傳播過程中呈指數(shù)型衰減,距離震源越近應(yīng)力波幅值衰減速度越快,而隨著傳播距離的增大,應(yīng)力波衰減速度逐漸減小.

3)通過改善錨桿支護(hù)參數(shù)和煤巖體強(qiáng)度弱化兩方面提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖防控建議.錨桿應(yīng)同時(shí)具備高強(qiáng)度與讓壓特性,錨桿加密和補(bǔ)強(qiáng),可提高整體錨固強(qiáng)度.大直徑鉆孔卸壓、煤體爆破卸壓可實(shí)現(xiàn)煤巖體強(qiáng)度弱化,降低沖擊危險(xiǎn)性.