底角锚杆控制巷道底臌的数值模拟

肖福坤， 张纯杰， 高立伟， 岳洋洋

(1.黑龙江科技学院 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨 150027; 2.开滦(集团)有限责任公司 唐山矿业分公司，河北 唐山 063000)

底角锚杆控制巷道底臌的数值模拟

肖福坤1， 张纯杰1， 高立伟2， 岳洋洋2

(1.黑龙江科技学院 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，哈尔滨 150027; 2.开滦(集团)有限责任公司 唐山矿业分公司，河北 唐山 063000)

随着煤矿开采深度的增加，巷道底臌现象越来越严重。为了寻找一种有效的控制底臌方法，借助数值模拟手段对施加底角锚杆的深部巷道进行受力分析。结果表明:对底板实加底角锚杆后，应力区向巷道深部转移，围岩应力对底板的影响降低，巷道变形量减小。模拟结果及现场应用均证明在条件适合地区，底角锚杆控制技术可以有效控制巷道底臌。

巷道;底臌;底角锚杆;数值模拟

0 引言

随着开采深度的增加，巷道周边所受围岩应力越来越大，产生底臌现象也越来越严重，因而引起国内外学者的关注。前苏联的秦巴列维奇 п м认为底臌是由巷道两帮的荷载重量传给底板而引起的［1］。德国的奥顿哥特M运用相似模拟的方法研究了巷道底臌的过程，他认为巷道的两帮首先破坏，其后是顶底板破坏［2］。美国的艾格森(Aggson，1978)等认为顶板破坏是通过弯曲形式而非塑性流动方式［3］。康红普等［1，4－7］将巷道底臌分为挤压流动性底臌、挠曲褶皱性底臌、岩石扩容引起的底臌、遇水膨胀性底臌、底板岩层的稳定性及两帮挤压引起的底臌、剪切错动性底臌等六种类型。

为控制巷道底臌，学者们开展了大量的研究工作。这些研究主要从两方面入手:一是防止底臌产生，主要方法有切缝卸压、松动爆破、钻孔卸压、底板打锚杆、可缩性封闭金属支架、底板注浆、锚索调动深部围岩强度等。二是清除底臌，就是恢复巷道断面积，并将巷道产生的底臌岩石清除掉［8－9］。笔者在上述研究的基础上，提出采用底角锚杆技术控制底臌，并进行了数值模拟分析。

1 地质概况

某矿井地质构造以断裂为主，断层较发育且以张扭性正断层为主，褶曲不发育。地层岩性主要为灰岩和泥岩。粗碎屑岩少，且不稳定。根据主要的岩性特征，将其分为泥岩组、煤体组、砂岩组和灰岩组四个工程岩组。该矿新开拓的主要运输大巷，标高为－785 m，按直墙半圆拱以3‰坡度近水平掘进，掘进方位为北偏东59°，与岩层的走向有一定的夹角，大约为10°左右，最大掘进断面为18.35 m。由于该大巷所处位置较深，巷道围岩受到地应力较大，巷道发生破坏，其特征为，帮部与底板严重鼓出，支护体与变形不协调破坏，其中严重底臌为其变形的主要特征。

2 数值模拟

2.1 数值模型

根据巷道地质资料、围岩赋存特征及岩石、锚杆、锚索、喷层等相应的力学参数，建立模型，如图1所示。模型长×宽×高=50 m×30 m×50 m，共划分35 220个单元形成39 168个节点和4 168个结构单元。该模型侧面限制水平移动，固定底部［10－11］，上表面施加应力边界，施加的载荷为22 MPa，岩层倾角为20°，破坏准则为Mohr－Coulomb准则。模型力学参数如表1所示。

图1 数值模型Fig.1 Simulation model diagram

表1 模型力学参数Table 1 Mechanical parameters of model

2.2 结果分析

2.2.1 无底角锚杆的应力场

图2为巷道底板应力分布图，在图中巷道底板和右肩部出现小范围的拉应力，其值为3.16 MPa，其余部分为压应力，其值为5.0 MPa;而在巷道的左帮及肩部出现压应力，大小为25 MPa。原因是，巷道右帮和底板岩石强度较低，当所受应力超过岩石强度时，围岩发生破坏，强度降低，应力向深部转移，而巷道左帮岩石强度较高，超过了所受应力强度，岩石难以发生破坏，所以应力较大。

图2 原支护应力分布Fig.2 Stress distribution of original support

2.2.2 无底角锚杆的位移场

图3显示了原支护条件下的位移分布情况。从巷道位移矢量场分析，在原有支护条件下，巷道主要变形为底臌，最大的底臌区域接近巷道中部偏右，同时，巷道的右下帮部发生变形，整个巷道呈现不对称性，最大变形量为57.7 cm。由位移曲线云图分析，在原有支护条件下，巷道底臌量为57.6 cm，顶板下沉量为12.3 cm。出现底臌的原因是，底板岩体强度较弱，与支护体和围岩在强度、刚度和结构上不耦合，帮角部变形量会向内挤出，喷体刚度大，与围岩变形不协调，产生差异性变形。水平位移方向上最大移近量为49.3 cm，出现在巷道的右下帮部，这是由于巷道右下帮部所处的岩体强度低导致支护力度不够，同时由于巷道底臌而变形。

图3 原支护位移分布Fig.3 Displacement distribution of original support

2.2.3 施加底角锚杆的应力场

图4为施加底角锚杆后巷道所受的应力分布云图。对底角两侧施加底角锚杆后，巷道底板受到的压应力为5 MPa，巷道两肩处所受的压应力为25 MPa，应力向深部转移。巷道所受压应力为2.5 MPa，两侧应力影响范围逐渐减小，顶板受到的压应力为20 MPa，说明应力向深部转移。

2.2.4 施加底角锚杆的位移场

图4 新支护应力分布Fig.4 Stress distribution of new support

图5 新支护位移分布Fig.5 Stress distribution of new support

图5为施加底角锚杆后的位移场分布情况。受底角锚杆力学效应的影响，施加底角锚杆后的巷道变形量明显得到控制，底角锚杆对称支护巷道的最大底臌量降至6.9 cm;最大水平位移为12.5 cm，是原支护的25.4%。可见，采用底角锚杆支护的效果比原支护效果明显。

3 现场应用

结合数值模拟结果，在现场采用底角锚杆支护方式来控制底鼓。施工后重新进行巷道观测。

观测期间，两帮移近量最大值为20 mm，顶板下沉量最大值为18 mm，底臌量最大值为32 mm，两帮移近速率最大值为1.15 mm/d，顶板下沉速率最大值为0.59 mm/d，底臌速率最大值为0.68 mm/d。从位移量及变形速率来看，巷道总体变形趋于稳定，未出现肩部开裂等不对称现象。

施加底角锚杆25 d左右，围岩变形开始趋缓，说明底角锚杆开始发挥作用，部分变形得到控制; 50 d后，底臌变形趋于稳定，表明底角锚杆对巷道底臌的控制起到了积极作用。

4 结束语

利用数值模拟方法研究了施加底角锚杆前后巷道的受力情况。结果表明，对底板施加底角锚杆后，应力集中区向巷道深部转移，从而降低了巷道围岩应力对底板的影响，减少了巷道变形量。现场应用结果进一步验证了底角锚杆技术控制巷道底臌的有效性。该技术具有推广应用价值。

［1］康红普.软岩巷道底臌的机理及防治［M］.北京:煤炭工业出版社，1993:56－59.

［2］奥顿哥特M.巷道底臌的防治［M］.王茂松，译.北京:煤炭工业出版社，1985:13－19.

［3］比尼斯基Z T B.矿业工程岩层控制［J］.孙恒虎，孙继平，马燕合，译.徐州:中国矿业大学出版社，1990:93.

［4］陆士良，姜耀东.巷道底臌的机理和防治［J］.中国煤炭，1995(8):13－17.

［5］肖福坤，段立群，葛志会.采煤工作面底板破裂规律及瓦斯抽放应用［J］.煤炭学报，2010，35(3):417－419.

［6］姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等.深部开采中巷道底臌问题的研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(14):2396－2401.

［7］肖福坤，孙豁然.深井巷道围岩稳定性分析［J］.中国矿业，2008，17(5):97－99.

［8］李开学，王宏图，刘正海.巷道底臌理论与防治技术［J］.矿业安全与环保，2008，35(3):86－88.

［9］曾开华，王春光，王桂莲，等.底角锚杆抗剪特性研究［J］.金属矿山，2009(2):63－66.

［10］李占金，何满潮，唐强达.高水平应力条件下锚网索耦合支护机理分析与应用［J］.中国矿业，2008，17(7):65－68.

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［12］冯海英，刘德乾，赵鹏燕.不同断面形式深埋巷道围岩破坏数值模拟分析［J］.河北工程大学学报:自然科学版，2011 (3):26－30.

Numerical simulation of floor heave with corner anchor control

XIAO Fukun1， ZHANG Chunjie1， GAO Liwei2， YUE Yangyang2
(1.Heilongjiang Ground Pressure＆Gas Control in Deep Mining Key Lab，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China;2.Tangshan Mining Company，Kailuan Group Co.Ltd.，Tangshan 063000，China)

Aimed at seeking an effective method of controlling increasingly serious floor heave arising from greater mining depth，this paper describes the use of numerical simulation method to analyze the deeper roadway under the stress due to bottom anchor application.The results show that the application of bottom anchor in roadway floor results in transference of the stress to the deeper area of roadway，less influence of rock stress on floor，and less deformation of roadway.Both numerical simulation and practical application prove that，the bottom anchor-controlling technique，when used in areas with suitable conditions，affords an effective solution to floor heave.

roadway;floor heave;bottom anchor;numerical simulation

TD353

A

1671－0118(2012)02－0131－04

2012－02－12

教育部科学技术研究重点项目(210064)

肖福坤(1971－)，男，辽宁省西丰人，教授，博士，研究方向:矿山压力与控制，E-mail:xiaofukun@sohu.com。

(编辑荀海鑫)