不同開采條件下巷道表面變形數(shù)值分析

金燕燕 （安徽城市管理職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的增長，社會(huì)對能源的需求量越來越大，其中煤炭資源的需求也在不斷攀升，淺部煤炭開采已經(jīng)極少，人類對煤礦開采的深度迅速增加。相關(guān)研究表明，煤礦開采巷道圍巖表面變形隨原巖應(yīng)力的增大而增加，原巖應(yīng)力大小與巖石深度密切相關(guān)，深度增加，原巖應(yīng)力相應(yīng)的增加[1-2]。對控制深部煤礦巷道圍巖表面最大變形技術(shù)的研究迫在眉睫。目前，對巷道圍巖表面變形理論研究僅局限于巷道截面為圓形[3-5]，而工程常見巷道多為矩形截面，應(yīng)用理論公式分析圍巖表面變形量大小與實(shí)際相差較大。對矩形巷道利用數(shù)值分析軟件計(jì)算圍巖表面變形更加合理。本文采用ANSYS大型有限元分析軟件模擬常見幾種深部開采條件下矩形巷道圍巖表面最大變形，對變形較大試驗(yàn)組采用對稱添加錨桿方式進(jìn)行支護(hù)，對錨桿支護(hù)效果較差，采用注漿改善巖性再添加錨桿支護(hù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出不同條件下的巷道支護(hù)方案。

1 計(jì)算模型

為了消除邊界效應(yīng)的影響，巷道計(jì)算邊界長度按巷道直徑的5-10倍選取，巷道斷面設(shè)計(jì)尺寸見表1。巷道斷面數(shù)值計(jì)算模型如圖1，巷道下部x、y方向約束位移，兩側(cè)巖翼x方向約束位移，頂部施加均布荷載，相當(dāng)于該埋深條件下的原巖應(yīng)力大小，應(yīng)力大小見表1。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

不同因素各水平取值 表1

2 ANSYS軟件數(shù)值分析

2.1 巷道未支護(hù)數(shù)值分析

針對目前深部煤礦開采巷道常見開采條件利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出25組試驗(yàn)巷道模型，利用ANSYS大型模擬軟件模擬25組試驗(yàn)巷道模型在未添加任何支護(hù)條件下的圍巖表面最大變形量。其中巷道圍巖巖性模擬參數(shù)見表2。

圍巖巖性參數(shù) 表2

對3因素5水平利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)25組試驗(yàn)巷道數(shù)值分析圍巖表面變形，最大變形均為巷道兩幫圍巖，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。通過該試驗(yàn)數(shù)據(jù)正態(tài)分布模擬得出巷道圍巖表面變形隨巷道寬度、原巖應(yīng)力及粘結(jié)力三個(gè)不同因素的影響規(guī)律如圖2。

圖2 圍巖表面變形隨因素變化

25組試驗(yàn)巷道圍巖最大變形值 表3

通過對以上數(shù)據(jù)分析得到：巷道圍巖表面變形隨巷道寬度的增加而增加，在一定范圍內(nèi)增加的速率不同，數(shù)據(jù)顯示當(dāng)巷道寬度在5m到6m時(shí)，極差較大，說明在一定范圍內(nèi)巷道圍巖表面變形受巷道寬度的影響較為顯著。原巖應(yīng)力的大小對巷道圍巖表面變形近似線性增加，原巖應(yīng)力越大，即巷道埋深越大，則圍巖表面變形越大。巷道圍巖變形隨粘結(jié)力的增大而減小，即巖性越好，則巷道圍巖表面變形越小。

2.2 圍巖表面變形超過允許值支護(hù)方案設(shè)計(jì)

對以上25組試驗(yàn)巷道模型未添加任何支護(hù)條件下巷道圍巖表面變形超過相應(yīng)巖性允許值可對稱逐一添加錨桿控制圍巖表面最大變形量，錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)：直徑Φ=22mm(A=0.000380m2)，彈性模量 E=20GPa，密度 ρ=7850kg/m3，泊松比 λ=0.2，初始應(yīng)變 ε=0.00455,間排距800mm×500mm，預(yù)緊力40kN。根據(jù)圍巖表面最大變形量不同選取不同的錨桿長度，當(dāng)變形量不超過400mm時(shí)，錨桿設(shè)計(jì)長度2000mm，當(dāng)變形量超過600mm時(shí)，錨桿設(shè)計(jì)長度3200mm，其間錨桿長度2500mm。

表3數(shù)據(jù)顯示25組試驗(yàn)巷道模型條件下巷道兩幫圍巖表面變形量，對比表2相應(yīng)巖性允許變形值的大小，序號2、13、16、21、22、24組合開采條件下的巷道圍巖表面最大變形超過允許值。對其分別對稱逐一增加錨桿數(shù)量，進(jìn)行錨桿支護(hù)模擬使其變形控制在允許范圍內(nèi)進(jìn)而設(shè)計(jì)出錨桿支護(hù)方案。對于部分條件下，當(dāng)增加錨桿數(shù)量時(shí)，圍巖表面變形仍未減小，可通過改善圍巖巖性即提高巖石的粘結(jié)力與內(nèi)摩擦角，再逐一添加錨桿，目前常見改善巖性的方式是壓力注漿。對變形較大的六組試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果，其控制在允許范圍內(nèi)的支護(hù)方案設(shè)計(jì)如表4。

25組試驗(yàn)支護(hù)方案設(shè)計(jì) 表4

3 結(jié)語

①深部煤礦巷道圍巖表面最大變形受不同因素的影響性從小到大依次為斷面尺寸→原巖應(yīng)力→巖性，其中改善圍巖巖性能達(dá)到巷道穩(wěn)定的效果，分析影響因素可得矩形巷道的最佳設(shè)計(jì)寬度尺寸為4m。

②巖性較好的情況下，獨(dú)立錨桿支護(hù)形式控制圍巖變形效果較好，圍巖粘結(jié)力達(dá)到1.5MPa時(shí)圍巖穩(wěn)定效果最好。

③當(dāng)巖性較差的情況下，添加錨桿支護(hù)表面變形改善不大時(shí)，可先改善圍巖巖性，再添加錨桿支護(hù)，控制圍巖變形效果更為顯著。