巷道支护中锚固段位置对深部围岩塑性区的影响

2020-04-30肖宇王卫军袁超黄聪唐利明

矿业工程研究 2020年1期

肖宇,王卫军,2*,袁超,黄聪,唐利明

(1.湖南科技大学资源与环境安全工程学院,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室,湖南湘潭 411201)

近几十年来随着我国不断地发展,对能源的需求量也在不断加大,浅部的煤炭资源已经逐渐枯竭,为实现煤炭工业的可持续发展,我国的煤矿开采逐渐转向深部.随着开采深度的增加,围岩环境更加复杂,围岩非线性大变形力学现象愈加突出,巷道支护与维护更加困难.绝大多数巷道围岩出现了大变形破坏特征[1-3].大量研究成果表明[4-9]围岩塑性区的发育情况会直接导致巷道围岩变形破坏,巷道变形的模式和程度取决于塑性区的形态和范围.巷道断面收缩严重,出现严重的底鼓和冒顶现象,造成围岩变形破坏极其严重及支护愈加困难,返修率较普通巷道显著增高,巷道维护成本居高不下,严重制约了煤矿企业的开采效益.由此可见,巷道围岩大变形破坏及其控制方法是我们现在亟待解决的问题.

专家学者为了了解巷道大变形的原理和找到大变形巷道的支护方法做了大量的研究.康红普等[10]基于高预应力强力一次支护理论,对漳村煤矿一条受2次强烈动压影响的对穿巷道进行了全断面高预应力强力锚索现场支护实验;周安伟等[11]通过数值计算,模拟了支护与注浆加固两帮后巷道的顶底板围岩稳定性,研究认为巷道两帮的加固有利于巷道顶底板围岩的稳定性.何富连和张广超[12]分析了受相邻大型综放工作面剧烈采动影响煤巷破坏失稳的根本原因及破坏过程,并提出了桁架锚索与注浆支护技术;康红普等[13]对锚杆支护应力场进行了测试,测试了单根与2根锚杆在不同拉伸载荷下的支护应力值及应力场分布特征,分析了2根锚杆形成的支护应力场相互叠加与影响的特点;王卫军等[14]通过研究采动加卸载作用下围岩应力场的分布规律,揭示了动压底板巷道的大变形失稳机制;还研究了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形与塑性区的影响,提出了支护结构应满足围岩大变形的协调支护原则[15].

基于上文,目前的研究大多是围岩塑性区对巷道变形的影响或者只是讨论了锚杆间排距对控制巷道变形的影响,没有从锚固段所处位置的角度进行分析.笔者采用数值模拟和理论分析的方法,对巷道大变形的原因和锚杆及锚索锚固段位置对巷道破坏程度的影响进行了研究,对研究锚杆及锚索锚固段位置对巷道稳定性影响提供了研究基础和工程价值.

1 工程背景

图1 巷道支护

江西省曲江煤矿目前开采水平为-850 m,埋深超过900 m.主采B4煤层平均厚度约2.8 m,煤层平均倾角约12°,B4煤直接顶主要有砂质泥岩、泥岩与煤线互层,底板主要为黑褐色粉砂岩和炭质泥岩.

212工作面风巷为梯形断面,巷道上宽和下宽分别为3.0 m和3.4 m,净高为2.6 m.其支护方式为高强预应力桁架支护,锚杆间排距为800 mm×800 mm,锚索间排距为850 mm×1 250 mm,长7.3 m,预紧力达到 60～70 kN,高帮同顶板一道布置一套桁架锚索;低帮布置的锚索梁,排距为1 400 mm,锚杆间排距与高帮相同,其他锚杆及锚索具体布置方式如图1所示.

2 巷道围岩塑性区分析

现如今已经有不少专家学者研究认为[16-18]巷道围岩的塑性区并不是简单的圆形,当巷道处于深部不等压的状态下时塑性区的形状是不规则的.并且有学者推导出非等压条件下塑性区半径r关于θ的隐性方程及塑性区的形状.

隐性方程如式(1)所示.

(1)

图2 不同测压系数条件下巷道围岩的塑性区边界

式中:P1为垂直应力;λ为垂直应力和水平应力的比值;R0为巷道半径;r和θ为任一点的极坐标;c,φ分别为围岩黏聚力和内摩擦角.

通过式(1)借助MATLAB和CAD等软件计算并绘制出不同侧压系数下塑性区的形状,并且揭示了塑性区发展规律和侧压系数的关系.得到的巷道围岩塑性区边界近似曲线如图2所示.

由图2可以清楚地看到当巷道处于非等压的条件下时,围岩塑性区一般为蝶型.参考我国煤矿开采现状,埋深较浅的煤炭资源几乎开采完毕,为实现煤炭工业的可持续发展,开采深度逐年增加,深部巷道也越来越多.埋深大的巷道几乎全是高应力非等压的条件下,也就是说巷道围岩塑性区大多是蝶形塑性区.基于此,本文就深部巷道围岩塑性区展开研究.

3 锚杆-锚索锚固段对围岩塑性区的影响

在当前巷道的支护手段中,锚杆-锚索支护应用得最为广泛,而锚杆-锚索的锚固段位于围岩中的位置会直接地影响到支护效果.锚固段在围岩中位置一般分为两种:第一种是锚固段在塑性区，第二种锚杆贯穿了塑性区锚固段到达了弹性区.因弹塑性区围岩强度差异,锚固段处于不同的位置对控制围岩塑性区扩展的效果是不同的,同时对巷道的支护效果也是有差异的.已有成果中[18,19]多为使用有限元模拟软件如FLAC3D进行模拟,为验证锚杆锚索不同锚固段对塑性区发育的影响，本文使用离散元模拟软件3DEC进行研究.

4 锚固段对围岩塑性区影响3DEC数值模拟

4.1 使用离散元软件模拟巷道围岩的优势

岩体中每个岩块之间存在节理、裂隙等,使整个岩体成为不完全连续体,以连续介质力学为基础的有限元等数值计算方法难以模拟岩体的离层和脱落过程.3DEC是基于离散元单元法的三维计算机数值模拟程序,离散单元法的原理是假设被节理裂隙切割的岩块是刚体,岩石块体按照整个岩体的节理裂隙相互镶嵌排列,每个岩块在空间有自己的位置并处于平衡状态,在模拟岩体的离层和脱落过程具有得天独厚的优势,选用离散元模拟软件进行模拟计算能使数值模型与工程实际更加贴切.

4.2 模型尺寸及参数

通过上文的理论分析,我们知道锚固段处于不同的位置对控制围岩塑性区扩展的效果也是不同的,同时对巷道的支护效果也是不一样的,为了能够更直观的体现锚杆锚固段位置的不同对巷道围岩位移以及塑性区发展的影响,运用 3DEC数值分析软件计算模型,模型尺寸:50 m×50 m×20 m;计算模型侧压系数设置为0.3[15];通过工程背景可知巷道所处位置的原岩应力为27 MPa,模型除上部自由外其他面固定位移约束,上部施加应力模拟上覆岩层重力,计算模型采用Mohr-Coulomb屈服准则.

围岩应力场与位移场主要的决定因素是岩体本身的物理力学性质与巷道围岩应力环境.在地下工程中,巷道围岩体往往不是均质的,为消除围岩岩体力学参数对模型计算结果的影响,笔者将计算模型的围岩力学参数取为同一种岩体力学参数(见表1).同时取与实际的梯形断面相似的4 m×4 m的矩形断面巷道进行模拟.

表1 岩石参数

4.3 不同锚固段条件下塑性区的发展情况及分析

图3是锚固段处于不同位置情况下的深部巷道围岩塑性区范围与形态.

图3 锚固段处于不同位置情况下的深部巷道围岩塑性区范围与形态

数值模拟计算结果表明,由于锚固段位置的差异导致对控制围岩塑性区扩展的效果也是不同的.从图3的锚杆锚索受力情况分析,当锚固段在塑性区的时候锚杆受到的力比较小,没能充分地发挥锚杆的支护性能,当使用锚杆与锚索联合支护使锚固段完全处于弹性区范围内,穿过塑性区的锚索与围岩黏结在一起并且悬吊在弹性区坚硬和完好的岩体上，这样就能有效地控制塑性区的扩展.在未支护时塑性区的蝶叶长度为26.5 m(图3a),锚固段在塑性区时蝶叶长度为11.67 m(图3b),锚固段在弹性区时蝶叶长度为7 m(图3c).锚固段在塑性区时对塑性区的控制量为14.83 m,锚固段在弹性区时对塑性区的控制量为19.5 m.所以当锚固段在塑性区的时候虽然对塑性区也有控制效果,但是效果并不明显,然而当锚固段位于弹性区的时候塑性区就能够得到明显的控制.

4.4 不同锚固段条件下巷道围岩位移情况及分析

图4是未支护条件下(4a),锚固段在塑性区(4b)和锚固段在弹性区(4c)时巷道围岩在X方向的位移情况.

图4a中,巷道左侧最大位移量为298 mm,右侧最大位移量为296 mm;图4b中,巷道左侧最大位移量为187 mm,右侧最大位移量为195 mm;图3c中,巷道左侧最大位移量为45 mm右侧最大位移量为45 mm.锚固段在塑性区时巷道左侧最大位移量减少了111 mm,右侧减少101 mm;锚固段在弹性区时巷道左侧位移量减少253 mm,右侧减少251 mm.

图5是未支护条件下(5a),锚固段在塑性区(5b)和锚固段在弹性区(5c)时巷道围岩在Z方向的位移情况.

图4 锚固段处于不同位置情况下的深部巷道围岩X方向位移

图5 锚固段处于不同位置情况下的深部巷道围岩Z方向位移

图5a中,最大顶板下沉量为805 mm,最大底鼓量为533 mm;图5b中,最大顶板下沉量为638 mm,最大底鼓量为428 mm;图4c中,最大顶板下沉量为400 mm,最大底鼓量为200 mm.锚固段在塑性区时巷道顶板最大下沉量减少了167 mm,最大底鼓量减少了105 mm;锚固段在弹性区时巷道顶板最大下沉量减少了405 mm,最大底鼓量减少333 mm.

综上,锚固段在塑性区时X方向巷道围岩位移减少量是未支护条件下的34.1%,Z方向巷道围岩减少量是未支护条件下的19.6%;锚固段在弹性区时X方向巷道围岩位移减少量是未支护条件下的84.8%,Z方向巷道围岩减少量是未支护条件下的56.4%.相比于锚固段处于塑性区范围内,锚固段完全处于弹性区范围内能更加有效地控制巷道围岩的变形量,支护效果更加显著.大变形巷道中塑性区范围较大,由于锚杆长度有限,锚杆锚固段完全处于塑性区范围内,无法充分发挥锚固作用,应加入锚索组成锚杆锚索耦合支护,以实现控制巷道围岩大变形的目的.