劉洋　勾靖國(guó)

【摘 要】本文通過FLAC3D對(duì)張家灣堰煤礦6號(hào)煤層6106工作面，開切眼錨桿支護(hù)長(zhǎng)度數(shù)的確定進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過模擬得到頂錨長(zhǎng)度至少取2.4m，幫錨桿長(zhǎng)度應(yīng)取1.8m。對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)確定錨桿的錨固長(zhǎng)度有指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】錨桿支護(hù)；數(shù)值模擬；開切眼

支護(hù)和加固也可以歸類為主動(dòng)的或者被動(dòng)的。主動(dòng)支護(hù)的實(shí)施將在巖石表面施加一個(gè)事先確定好的荷載，對(duì)于長(zhǎng)壁開采面它可以采用預(yù)拉的錨桿和錨索、液壓支柱、膨脹、膨脹式分段混凝土襯砌或動(dòng)力支架的形式。在需要支護(hù)或單個(gè)巖塊或巖石松動(dòng)區(qū)產(chǎn)生的重力荷載作用時(shí)，通常要求主動(dòng)支護(hù)。被動(dòng)支護(hù)或加固在施工時(shí)不需要加荷載，相反，支護(hù)荷載是隨巖體變形逐漸加上去的。被動(dòng)支護(hù)可以用鋼拱、木架或復(fù)合式砌體設(shè)置，也可以用未預(yù)拉的巖石注漿錨桿、鋼筋或錨索來實(shí)現(xiàn)。未預(yù)拉的巖石注漿錨桿、鋼筋和錨索通常稱為錨栓。

錨桿支是屬于“以柔克剛，緩沖讓壓，穩(wěn)定支護(hù)”的基本準(zhǔn)則。讓圍巖發(fā)生充分的變形、位移，使得圍巖由于邊界條件發(fā)生變化而引起應(yīng)力重新分布，引起的應(yīng)變能。充分發(fā)生位移會(huì)釋放大量的應(yīng)變能。提高圍巖的自承能力[1]。這就是錨桿支護(hù)的很大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，自從有了錨桿支護(hù)以后，在礦山中支護(hù)問題已經(jīng)不是困擾采礦工程的主要問題了。

本文對(duì)同張家灣煤礦開切眼的頂板支護(hù)錨桿參數(shù)進(jìn)行了確定，通過現(xiàn)場(chǎng)得測(cè)試：底鼓由原來的200～400mm減小到50～200mm；片幫次數(shù)減小到原來的40%，片幫塊度減小到原來的30%；碎石冒落次數(shù)和量減少到原來的30%，塊度減少到原來的25%。從以上數(shù)據(jù)可以看出支護(hù)效果得到顯著的提高。

1 錨桿的作用機(jī)理

錨桿可以用來懸吊層狀巖石中可能失穩(wěn)的頂板梁。錨桿錨固裝置一定要錯(cuò)入到潛在破壞區(qū)以外。如假定不穩(wěn)定區(qū)的巖石重量全部由錨桿所承受而使錨桿受力，則有：T=γDs2

式中：T為每根錨桿的工作荷載；γ為巖石的容重；D為不穩(wěn)定區(qū)的厚度；s為縱向及橫向巖石錨桿間距。減跨作用：把頂板看成一個(gè)長(zhǎng)的巖梁，在巷道頂板巖層中打入錨桿，錨桿簡(jiǎn)化為一個(gè)鉸支座的力學(xué)模型。相當(dāng)于把跨度大的巖石梁，通過錨桿打入巖石里，起到了減跨的作用。組合作用：把錨桿錨入巖石中，類似于一個(gè)層合巖梁變成疊合巖梁。由于上覆巖層對(duì)頂板的壓力一定則彎矩就一定，根據(jù)材料力學(xué)彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式得，層合巖梁變成疊合巖梁，這樣彎曲應(yīng)力就減小了。這樣就使得圍巖應(yīng)力降低，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。用錨桿錨固圍巖，圍巖和錨桿的相互擠壓形成一個(gè)承載環(huán)，這樣就提高了圍巖的承載能力。

2 煤及頂板巖石力學(xué)參數(shù)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

6號(hào)煤層頂板為粘土巖，或?yàn)榇稚皫r頂部為硬質(zhì)粘土巖，底板為軟質(zhì)粘土巖，遇水分解成泥狀可塑性強(qiáng)。

3 用FLAC3D有限差分軟件對(duì)6106工作面的仿真模擬

根據(jù)張家灣煤礦的地質(zhì)柱狀圖和6#煤層6106的地質(zhì)條件。建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)力學(xué)分析模型來確定錨桿的支護(hù)參數(shù)。用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。該軟件是為巖土工程應(yīng)用而開發(fā)的，采用了拉格朗日顯式算法可以跟蹤材料的漸進(jìn)破壞和垮落，這對(duì)采礦工程是很重要的[2]。

6#煤層的平均厚度為11m，在該煤層的地質(zhì)條件下開切眼，巷道總高度為3m。6106開切眼尺寸長(zhǎng)7.5m，寬3.0m。巷道頂板層由頂煤、軟巖及硬巖層組成， 上覆巖層的模擬厚度到地面其厚度為87m。底板模擬邊界為10m，兩幫的模擬厚度為25m。對(duì)于邊界條件的確定，上部邊界條件簡(jiǎn)化為應(yīng)力邊界條件，模型的下部邊界條件簡(jiǎn)化為固定端，即下部邊界的位移為零。模型共劃分23000個(gè)六面體體單元，共有25533個(gè)節(jié)點(diǎn)。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)以上述表格1的實(shí)測(cè)參數(shù)。

模擬中主要考慮圍巖屈服破壞的范圍，破壞準(zhǔn)則是摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。目的是用來確定錨桿的支護(hù)參數(shù)。切眼開挖模型網(wǎng)格劃分如圖1。

3.1 在無(wú)錨桿支護(hù)下6106工作面開挖破壞范圍的仿真模擬

巷道開挖后，由于巷道表面徑向力為零，原來巖體的平衡遭到破壞。巷道頂部的巖體壓力傳遞到兩幫，使巷道兩幫巖體中的鉛垂應(yīng)力增大。由于挖掉部分巖體形成巷道空間結(jié)構(gòu)，地應(yīng)力的邊界條件發(fā)生了變化，條件變成自由邊界條件。重新分布的應(yīng)力失去了傳遞的介質(zhì)，所以只能通過兩幫傳遞。在巷道周邊由于應(yīng)力集中，產(chǎn)生屈服甚至塑性流動(dòng)[3]。

在無(wú)支護(hù)的條件下，圍巖破壞的等應(yīng)力圖見圖2。根據(jù)摩爾-庫(kù)倫巖石強(qiáng)度判據(jù)可知，頂板的最大破壞區(qū)域?yàn)?.0m。兩幫巖層的破壞深度達(dá)到1.4m。所以若不及時(shí)支護(hù)則會(huì)導(dǎo)致頂板冒落，兩幫片幫嚴(yán)重。根據(jù)錨桿的支護(hù)原理，通過錨桿的錨固力可以使破碎的巖石形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，減少了圍巖的位移；提高圍巖的整體承載能力。通過模擬可得錨桿的長(zhǎng)度在2.4m左右為最佳長(zhǎng)度，幫錨桿的最佳長(zhǎng)度為1.8米左右。

3.2 圍巖垂直應(yīng)力分布情況

根據(jù)開挖后巷道圍巖垂直應(yīng)力模擬結(jié)果，圖3無(wú)支護(hù)下巷道垂直應(yīng)力分布。

從應(yīng)力分布云圖的情況看，由于開挖形成空間后應(yīng)力重新分布，在2.0m范圍內(nèi)為應(yīng)力屈服區(qū)。形成一個(gè)圍巖松動(dòng)區(qū)-應(yīng)力降低區(qū)。在兩幫應(yīng)力降低區(qū)離巷道壁為1.0m且兩幫垂直應(yīng)力呈對(duì)稱分布。在兩幫1.0～1.5m左右范圍為彈性應(yīng)力區(qū)。在塑性區(qū)和彈性區(qū)的交界處應(yīng)垂直應(yīng)力達(dá)到峰值為11.5MPa，和巖石力學(xué)塑性區(qū)的次生應(yīng)力理論推導(dǎo)的趨勢(shì)是一致的。

4 支護(hù)效果小結(jié)

通過對(duì)開切眼巷道在無(wú)支護(hù)下的情況下，確定了圍巖的破壞范圍，在頂板中部的深度2.0m范圍為降低區(qū)。在水平巷道彈塑性交界面位于1.4m的深度處應(yīng)力增大區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果可知，若不及時(shí)支護(hù)，容易頂板冒頂，兩幫嚴(yán)重片幫。本文通過FLAC3D對(duì)張家灣煤礦6號(hào)煤層6106工作面，開切眼錨桿支護(hù)長(zhǎng)度參數(shù)的確定進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過模擬得到頂錨長(zhǎng)度至少取2.4m，幫錨桿長(zhǎng)度應(yīng)取1.8m。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試支護(hù)效果得到了很大的提高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李通林，譚學(xué)術(shù)，劉傳偉.礦山巖體力學(xué)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1999.

[2]肖猛，丁德馨，莫勇剛.軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2007（01）.

[3]李忠亮.煤巷圍巖控制與錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)的研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：王偉平]