肖福坤， 張純杰， 高立偉， 岳洋洋

(1.黑龍江科技學(xué)院 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150027; 2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司 唐山礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

底角錨桿控制巷道底臌的數(shù)值模擬

肖福坤1， 張純杰1， 高立偉2， 岳洋洋2

(1.黑龍江科技學(xué)院 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150027; 2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司 唐山礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

隨著煤礦開采深度的增加，巷道底臌現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。為了尋找一種有效的控制底臌方法，借助數(shù)值模擬手段對(duì)施加底角錨桿的深部巷道進(jìn)行受力分析。結(jié)果表明:對(duì)底板實(shí)加底角錨桿后，應(yīng)力區(qū)向巷道深部轉(zhuǎn)移，圍巖應(yīng)力對(duì)底板的影響降低，巷道變形量減小。模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均證明在條件適合地區(qū)，底角錨桿控制技術(shù)可以有效控制巷道底臌。

巷道;底臌;底角錨桿;數(shù)值模擬

0 引言

隨著開采深度的增加，巷道周邊所受圍巖應(yīng)力越來越大，產(chǎn)生底臌現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重，因而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。前蘇聯(lián)的秦巴列維奇 п м認(rèn)為底臌是由巷道兩幫的荷載重量傳給底板而引起的［1］。德國(guó)的奧頓哥特M運(yùn)用相似模擬的方法研究了巷道底臌的過程，他認(rèn)為巷道的兩幫首先破壞，其后是頂?shù)装迤茐模?］。美國(guó)的艾格森(Aggson，1978)等認(rèn)為頂板破壞是通過彎曲形式而非塑性流動(dòng)方式［3］?？导t普等［1，4－7］將巷道底臌分為擠壓流動(dòng)性底臌、撓曲褶皺性底臌、巖石擴(kuò)容引起的底臌、遇水膨脹性底臌、底板巖層的穩(wěn)定性及兩幫擠壓引起的底臌、剪切錯(cuò)動(dòng)性底臌等六種類型。

為控制巷道底臌，學(xué)者們開展了大量的研究工作。這些研究主要從兩方面入手:一是防止底臌產(chǎn)生，主要方法有切縫卸壓、松動(dòng)爆破、鉆孔卸壓、底板打錨桿、可縮性封閉金屬支架、底板注漿、錨索調(diào)動(dòng)深部圍巖強(qiáng)度等。二是清除底臌，就是恢復(fù)巷道斷面積，并將巷道產(chǎn)生的底臌巖石清除掉［8－9］。筆者在上述研究的基礎(chǔ)上，提出采用底角錨桿技術(shù)控制底臌，并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 地質(zhì)概況

某礦井地質(zhì)構(gòu)造以斷裂為主，斷層較發(fā)育且以張扭性正斷層為主，褶曲不發(fā)育。地層巖性主要為灰?guī)r和泥巖。粗碎屑巖少，且不穩(wěn)定。根據(jù)主要的巖性特征，將其分為泥巖組、煤體組、砂巖組和灰?guī)r組四個(gè)工程巖組。該礦新開拓的主要運(yùn)輸大巷，標(biāo)高為－785 m，按直墻半圓拱以3‰坡度近水平掘進(jìn)，掘進(jìn)方位為北偏東59°，與巖層的走向有一定的夾角，大約為10°左右，最大掘進(jìn)斷面為18.35 m。由于該大巷所處位置較深，巷道圍巖受到地應(yīng)力較大，巷道發(fā)生破壞，其特征為，幫部與底板嚴(yán)重鼓出，支護(hù)體與變形不協(xié)調(diào)破壞，其中嚴(yán)重底臌為其變形的主要特征。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)巷道地質(zhì)資料、圍巖賦存特征及巖石、錨桿、錨索、噴層等相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，建立模型，如圖1所示。模型長(zhǎng)×寬×高=50 m×30 m×50 m，共劃分35 220個(gè)單元形成39 168個(gè)節(jié)點(diǎn)和4 168個(gè)結(jié)構(gòu)單元。該模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，固定底部［10－11］，上表面施加應(yīng)力邊界，施加的載荷為22 MPa，巖層傾角為20°，破壞準(zhǔn)則為Mohr－Coulomb準(zhǔn)則。模型力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Simulation model diagram

表1 模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of model

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 無底角錨桿的應(yīng)力場(chǎng)

圖2為巷道底板應(yīng)力分布圖，在圖中巷道底板和右肩部出現(xiàn)小范圍的拉應(yīng)力，其值為3.16 MPa，其余部分為壓應(yīng)力，其值為5.0 MPa;而在巷道的左幫及肩部出現(xiàn)壓應(yīng)力，大小為25 MPa。原因是，巷道右?guī)秃偷装鍘r石強(qiáng)度較低，當(dāng)所受應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度時(shí)，圍巖發(fā)生破壞，強(qiáng)度降低，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，而巷道左幫巖石強(qiáng)度較高，超過了所受應(yīng)力強(qiáng)度，巖石難以發(fā)生破壞，所以應(yīng)力較大。

圖2 原支護(hù)應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution of original support

2.2.2 無底角錨桿的位移場(chǎng)

圖3顯示了原支護(hù)條件下的位移分布情況。從巷道位移矢量場(chǎng)分析，在原有支護(hù)條件下，巷道主要變形為底臌，最大的底臌區(qū)域接近巷道中部偏右，同時(shí)，巷道的右下幫部發(fā)生變形，整個(gè)巷道呈現(xiàn)不對(duì)稱性，最大變形量為57.7 cm。由位移曲線云圖分析，在原有支護(hù)條件下，巷道底臌量為57.6 cm，頂板下沉量為12.3 cm。出現(xiàn)底臌的原因是，底板巖體強(qiáng)度較弱，與支護(hù)體和圍巖在強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)上不耦合，幫角部變形量會(huì)向內(nèi)擠出，噴體剛度大，與圍巖變形不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生差異性變形。水平位移方向上最大移近量為49.3 cm，出現(xiàn)在巷道的右下幫部，這是由于巷道右下幫部所處的巖體強(qiáng)度低導(dǎo)致支護(hù)力度不夠，同時(shí)由于巷道底臌而變形。

圖3 原支護(hù)位移分布Fig.3 Displacement distribution of original support

2.2.3 施加底角錨桿的應(yīng)力場(chǎng)

圖4為施加底角錨桿后巷道所受的應(yīng)力分布云圖。對(duì)底角兩側(cè)施加底角錨桿后，巷道底板受到的壓應(yīng)力為5 MPa，巷道兩肩處所受的壓應(yīng)力為25 MPa，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。巷道所受壓應(yīng)力為2.5 MPa，兩側(cè)應(yīng)力影響范圍逐漸減小，頂板受到的壓應(yīng)力為20 MPa，說明應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。

2.2.4 施加底角錨桿的位移場(chǎng)

圖4 新支護(hù)應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of new support

圖5 新支護(hù)位移分布Fig.5 Stress distribution of new support

圖5為施加底角錨桿后的位移場(chǎng)分布情況。受底角錨桿力學(xué)效應(yīng)的影響，施加底角錨桿后的巷道變形量明顯得到控制，底角錨桿對(duì)稱支護(hù)巷道的最大底臌量降至6.9 cm;最大水平位移為12.5 cm，是原支護(hù)的25.4%?？梢?，采用底角錨桿支護(hù)的效果比原支護(hù)效果明顯。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)采用底角錨桿支護(hù)方式來控制底鼓。施工后重新進(jìn)行巷道觀測(cè)。

觀測(cè)期間，兩幫移近量最大值為20 mm，頂板下沉量最大值為18 mm，底臌量最大值為32 mm，兩幫移近速率最大值為1.15 mm/d，頂板下沉速率最大值為0.59 mm/d，底臌速率最大值為0.68 mm/d。從位移量及變形速率來看，巷道總體變形趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)肩部開裂等不對(duì)稱現(xiàn)象。

施加底角錨桿25 d左右，圍巖變形開始趨緩，說明底角錨桿開始發(fā)揮作用，部分變形得到控制; 50 d后，底臌變形趨于穩(wěn)定，表明底角錨桿對(duì)巷道底臌的控制起到了積極作用。

4 結(jié)束語

利用數(shù)值模擬方法研究了施加底角錨桿前后巷道的受力情況。結(jié)果表明，對(duì)底板施加底角錨桿后，應(yīng)力集中區(qū)向巷道深部轉(zhuǎn)移，從而降低了巷道圍巖應(yīng)力對(duì)底板的影響，減少了巷道變形量。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了底角錨桿技術(shù)控制巷道底臌的有效性。該技術(shù)具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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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

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(210064)

肖福坤(1971－)，男，遼寧省西豐人，教授，博士，研究方向:礦山壓力與控制，E-mail:xiaofukun@sohu.com。

(編輯荀海鑫)