深部软岩巷道锚喷支护参数优化设计

刘 伦,姜永兴

(华北水利水电学院,郑州 450011)

锚喷支护因其施工方便、劳动强度低等诸多优点,在生产实践中已被广泛用.但是,在以前的支护过程中往往只加强支护体的强度,从而导致施工的盲性大,支护效果差等问题[1].从工程实践可知,巷道变形破坏的主要原因是于支护体力学特性与围岩力学特性之间的藕合不一致所造成的,并且首先从某一关键部位开始,进而导致整个支护系统失稳[2].因此,有效地控制围岩的变必须满足巷道围岩与支护体强度、刚度及结构上的藕合.

1 支护原理

由锚杆支护理论可知[3],锚杆支护的实质是锚杆与围岩的相互作用使得巷道围岩受力状态发生改变.在不同的阶段,锚杆与岩体相互作用机理有所不同.在早期阶段,巷道顶板破坏范围较小,此时锚杆的主要作用是控制顶板下部岩体的错动和离层失稳的发生;在中期阶段,岩层产生了一定的变形,由于岩石的流变效应,随着时间的推移,岩层强度不断降低,但锚杆深入稳定岩层时,其悬吊作用处于主要地位,同时由于锚杆的径向和切向约束,阻止破坏区岩层扩容、离层及错动;在后期阶段,围岩变形加大,锚杆受力加大,设计合理情况下,只要锚杆不产生破坏,围岩的稳定层在锚杆的控制范围内,仍可以起悬吊作用,若稳定层上移,使锚杆完全处于破坏岩层中,则锚杆和破坏岩体仍可形成承载圈,具有一定的承载能力[1].只有当锚杆变形与围岩变形相协调时,才能有效地控制围岩的变形.同样,锚喷和围岩的耦合作用十分重要,过刚或过弱的锚喷支护,都会引起局部应力集中而造成巷道破坏[2].只有当锚喷和围岩强度、刚度达到耦合时,变形才能相互协调.达到耦合的标志是围岩应力集中在协调变形过程中,向低应力区转移和扩散,从而达到最佳支护效果.

2 望峰岗数值计算模型建立

望峰岗煤矿地质构造为向斜构造,其煤系地层全部隐伏在巨厚的第四系含水冲积层下.-817水平内水仓埋深约850 m,该段围岩岩性以灰黑色粉砂质泥岩、炭质泥岩为主,岩性较差,膨胀性突出.岩石物理力学参数见表1,地应力测试结果见表2.

表1 粉沙质泥岩物理力学参数

表2 水平主应力的大小及其方向

根据地质资料,对其进行概化建立数值计算模型[4],模型见图1.巷道宽度为3.9m,帮高为1.0m,上方是半径为1.95 m的半圆拱.对模型试验结果进行数值分析,通过调整模型尺寸、边界条件及材料模型发现:当数值计算模型尺寸为巷道直径12倍时,可以忽略边界对计算结果的影响,故取12倍巷道半径作为模型的边界.边界条件为:在X方向上,在模型左右边为应力边界条件,考虑自重应力和构造应力;在Z方向上,模型底部为固定边界条件,顶部为应力边界条件.

图1 望峰岗数值计算模型

3 喷锚加固参数正交试验方案设计

巷道支护效果最直观表现就在于巷道周边的变形位移[5-8].因此本文选取用顶板最大下沉量、最大底鼓量、最大帮移近量作为正交试验考察的指标,共11个因素.考虑到生产时间的可能和模拟设计的可行性,每种因素取三个水平,正交试验表为L27(313).试验参数水平表见表 3,正交设计表见表4.

从正交试验结果来看,在对各指标极差分析的基础上综合分析,最终确定锚杆最优支护方案是:拱顶锚杆间距取0.8,拱顶锚杆长度取2.4 m,排距取0.8 m;边帮锚杆间距取0.8 m,长度取3.7 m,排距取0.8 m;底板锚杆间距取0.9 m,锚杆长度取2.9 m,排距取 0.8 m,锚杆倾角取45°;喷层厚度取120 mm.

表3 试验参数水平表

4 巷道支护设计方案效果模拟

采用上述优化加固方案对望峰岗煤矿巷道进行加固,模拟效果如下.

4.1 加固前后塑性区变化情况

图2为巷道加固前后塑性区变化图,从图中可以明显的看出锚喷加固后围岩的塑性区减小,说明支护措施对围岩塑性区的发展有一定的抑制作用.

4.2 加固前后位移变化情况

图3和图4分别为加固前后巷道的垂直位移等值云图和水平位移等值云图,从图中可以看出,加固前拱顶最大沉降、底板底鼓量、边帮水平位移分别为8.4 cm、12.5 cm、7.5 cm,加固后位移值分别变为1.8 cm、4.5 cm、1.9 cm,顶板沉降位移减少了78.5%,底鼓位移减少了64%,边帮位移减少了74.5%.

4.3 加固前后应力变化情况

从图5～图7分别为Sxx水平应力云图、Szz铅直应力云图及Sxz剪力等值云图,从图中可以看出支护后的应力集中区域减小,卸荷区的面积也减小,而且支护后较未支护相比,卸荷区的应力有所增加,即巷道周边围岩应力成梯度均匀分布,说明支护加强了开挖卸荷后松动塑性破坏围岩的整体强度,提高了围岩的支承能力,充分发挥了围岩的自承能力.

表4 参数正交试验

图2 加固前后巷道塑性区变化情况

图3 加固前后垂直位移等值云图

图4 加固前后水平位移等值云图

图5 加固前后Sxx应力等值云图

图6 加固前后Szz应力等值云图

图7 加固前后Sxz剪力等值云图

5 小 结

(1)采用正交设计方法对望峰岗煤矿巷道锚喷加固方案进行优化,得出加固优化方案,即:拱顶锚杆间距取0.8 m,长度取2.4 m,排距取0.8 m;边帮锚杆间距取0.8 m,长度取3.7 m,排距取 0.8 m;底板锚杆间距取0.9m,锚杆长度取2.9 m,排距取0.8 m,锚杆倾角取45°;喷层厚度取120 mm.

(2)采用优化方案对望峰岗煤矿巷道进行加固,支护后对巷道塑性区、位移都有一定程度的抑制,而且使巷道周边围岩卸荷区所承受的应力有所增高,应力增高区和集中应力区的应力下降,降低的应力部分向围岩深部转移或由支护后强度得到提高的巷道周边围岩所承受,这样更有利于巷道的稳定,发挥围岩的自承载能力.

[1]袁 亮.淮南矿区现代采矿关键技术[J].煤炭学报,2007,32(1):8-12.

[2]孙晓明,何满潮.深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2005,34(2)166-169.

[3]何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程地质力学研究进展[J].工程地质学报,2000,8(1):46-62.

[4]朱维申,张强勇,李术才,等.三维脆弹塑性断裂损伤模型在裂隙岩体工程中的应用[J].固体力学学报,1999,20(2):164-169.

[5]李 刚,梁 冰,李凤仪.U型钢可缩性金属支架参数选择与应用[J].煤矿开采,2005,10(2):45-47.

[6]王志强,吴敏应.巷道开挖围岩能量释放与偏应力应变能生成的分析计算[J].岩土力学,2007,28(4):663-669.

[7]潘 岳,王志强.基于应变非线性软化的圆形酮室围岩的弹塑性分析[J].岩石力学与工程学报,2005(6):915-920.

[8]范 文,俞茂宏,陈立伟,等.考虑剪胀及软化的洞室围岩弹塑性分析的统一解[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3213-3220.