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        不同煤層傾角錨桿支護圍巖位移變化規(guī)律研究

        2018-03-22 02:49:17孟海東崔小晉劉占寧
        中國煤炭 2018年2期
        關鍵詞:底鼓同步性標準差

        孟海東 崔小晉 劉占寧

        (內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)研究院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014000)

        錨桿支護可以有效提高礦井圍巖的穩(wěn)定性,為井下作業(yè)提供良好的工作條件,極大減少了頂板坍塌等事故,為煤礦的安全生產(chǎn)做出了重要貢獻。

        專家學者在錨桿支護方面的研究取得了大量的成果。陳文強等通過理論計算結構面的抗剪強度大小規(guī)律并進行實驗驗證,結果表明,隨著錨桿傾角的增大,錨桿軸向力發(fā)揮的抗剪強度在降低,橫向剪切力發(fā)揮的抗剪強度在增大;陳麗俊等建立了鎖腳錨桿—鋼拱架聯(lián)合承載力學模型,并對其橫向效應和軸向效應進行分析,討論了打設角度對鎖腳錨桿內(nèi)力和變形的影響,分析了不同參數(shù)對拱頂下沉的影響規(guī)律。

        從上述研究成果中可以看出,學者對錨桿的材料、結構、長度、間排距和預緊力做了比較深入的研究,對圍巖彈性模量和剪切剛度,圍巖塑性區(qū)和彈性區(qū)以及離層圍巖對錨桿的影響也做了較多的研究,但對錨桿角度的優(yōu)化以及變化規(guī)律研究的還比較少。為達到最好的支護效果,錨桿支護角度需要也隨煤層傾角的變化而改變,本文將對不同煤層傾角下頂錨桿的支護角進行研究,希望找出頂錨桿支護角度變化時,頂板位移、兩幫位移以及底鼓之間的聯(lián)系。

        1 數(shù)值計算模型的建立

        本文選用FLAC3D軟件進行模型的建立與支護模擬研究,以棋盤井煤礦0903回采巷道的地質(zhì)條件為工程背景。0903工作面煤層埋深400 m,煤層厚度約3 m,煤層上部為細砂巖和泥質(zhì)砂巖,下部為砂質(zhì)泥巖,巷道左側(cè)為實體煤,右側(cè)為采空區(qū)。模型頂部為自由邊界,側(cè)面和底部施加約束進行固定,上覆巖層自重應力取10 MPa,采空區(qū)施加的壓應力取22 MPa,模型尺寸為50 m×30 m×20 m,巷道尺寸為5 m×3 m(寬×高),模型先加載后開挖,破壞準則為摩爾—庫倫彈塑性屈服準則。各巖層巖石力學參數(shù)見表1。

        表1 各巖層巖石力學參數(shù)

        圖1 錨桿支護數(shù)值模擬模型

        錨桿支護數(shù)值模擬模型如圖1所示,從下到上依次為砂質(zhì)泥巖、煤、泥質(zhì)砂巖和細砂巖。

        根據(jù)巷道三位一體的原則,頂板、兩幫和底板相互影響,為了達到最好的支護效果,頂板、兩幫和底板均進行錨桿支護,并且在頂板進行錨桿錨索聯(lián)合支護。

        本文研究的位移并非基于某個點的位移值,而是各種位移的最大值,即圍巖表面的位移量,例如Z方向頂板位移的最大值在頂板表面,X方向左幫位移的最大值在左幫表面。

        2 不同煤層傾角下錨桿支護圍巖位移變化規(guī)律研究

        2.1 圍巖位移規(guī)律研究

        煤層傾角為10°時頂板和右?guī)臀灰谱兓鐖D2所示。由圖2可知,Z方向頂板位移在90°~100°的錨桿支護角度區(qū)間呈增長趨勢。頂板位移和右?guī)臀灰茻o相關性,發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能在于塑性區(qū)和破碎區(qū)比例的變化。

        圖2 煤層傾角為10°時頂板和右?guī)臀灰谱兓?/p>

        煤層傾角為10°時左幫和右?guī)臀灰谱兓鐖D3所示。由圖3可知,左幫位移和右?guī)臀灰凭哂辛己玫姆聪蛲叫浴?/p>

        圖3 煤層傾角為10°時左幫和右?guī)臀灰谱兓?/p>

        煤層傾角為10°時頂板位移和底鼓量變化如圖4所示。由圖4可知,頂板位移和底鼓具有較弱的同步性。

        圖4 煤層傾角為10°時頂板位移和底鼓量變化

        煤層傾角/(°)頂板和右?guī)妥髱秃陀規(guī)晚敯搴偷坠?0無關反向同步同步11無關無關反向同步12無關同步同步13同步反向同步反向同步14反向同步無關無關15反向同步反向同步反向同步16同步無關無關17同步同步無關18同步無關反向同步

        圍巖位移規(guī)律總結見表2。分析表2的結果可知,煤層傾角為12°~16°時,左幫位移和右?guī)臀灰频耐叫耘c頂板位移和底鼓的同步性相同,也就是說當左幫位移和右?guī)臀灰仆皆黾踊驕p小時,頂板位移和底鼓也在同步增加或較小,當左幫位移和右?guī)臀灰品聪蛲皆黾踊驕p小時,頂板位移和底鼓也在反向同步增加或較小。

        2.2 位移標準差規(guī)律研究

        標準差反映一組數(shù)據(jù)的離散程度。位移標準差則反映了頂錨桿支護角度變化下圍巖的穩(wěn)定程度,標準差越小則代表圍巖越穩(wěn)定。

        圖5 不同煤層傾角下位移標準差分布

        不同煤層傾角下位移標準差分布如圖5所示。由圖5可知,煤層傾角為10°~18°時,左幫位移標準差和右?guī)臀灰茦藴什罹哂泻軓姷耐叫?,說明煤層傾角的變化對兩幫穩(wěn)定性的影響是相同的。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能與塑性區(qū)和彈性區(qū)的比例變化率有關。煤層傾角為10°~14°時,頂板位移標準差和底鼓標準差具有很強的同步性,說明煤層傾角的變化對頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相同的,當煤層傾角的增加使頂板更加穩(wěn)定時,煤層傾角的增加也會使底鼓更加穩(wěn)定。煤層傾角為14°~18°時,頂板位移標準差和底鼓標準差具有很強的反向同步性,說明煤層傾角的變化對頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相反的,當煤層傾角的增加使頂板更加穩(wěn)定時,煤層傾角的增加則會使底鼓更加不穩(wěn)定。

        2.3 位移最小時的支護角規(guī)律研究

        當頂板位移最小時,頂板錨桿的支護角度稱為頂板位移的最佳支護角。當?shù)坠淖钚r,頂板錨桿的支護角度稱為底鼓的最佳支護角。當左幫位移最小時,頂板錨桿的支護角度稱為左幫位移的最佳支護角。當右?guī)臀灰谱钚r,頂板錨桿的支護角度稱為右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角。

        不同煤層傾角下位移最小時的支護角變化如圖6所示。

        圖6 不同煤層傾角下位移最小時的支護角變化

        由圖6可知,煤層傾角為10°~18°時,頂板位移和底鼓的最佳支護角具有良好的反向同步性,當由于煤層傾角的變化使得頂板位移的最佳支護角增加時,底鼓的最佳支護角減??;當由于煤層傾角的變化使得頂板位移的最佳支護角減小時,底鼓的最佳支護角會增大。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因與塑性區(qū)和破碎區(qū)的比例有關。煤層傾角為12°~15°時,左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角具有很強的同步性,當由于煤層傾角的變化使左幫位移的最佳支護角增加時,右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角也會增加;當由于煤層傾角的變化使的左幫位移的最佳支護角減小時,右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角也會減小。煤層傾角為10°~12°和15°~18°時,左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角則具有良好的反向同步性,當由于煤層傾角的變化使得左幫位移的最佳支護角增加時,右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角會減小;當由于煤層傾角的變化使得左幫位移的最佳支護角減小時,右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角會增大。

        不同煤層傾角下總位移最小時的支護角見表3。由表3可知,最佳支護角在91°~93°區(qū)間的煤層傾角有5個,按總位移從小到大排列可知,91°~93°是最佳支護角出現(xiàn)的最佳區(qū)間。

        表3 不同煤層傾角下總位移最小時的支護角

        3 結論

        本文采用FLAC3D軟件模擬分析不同煤層傾角錨桿支護圍巖位移相關性規(guī)律如下:

        (1)煤層傾角為10°~18°時,頂板位移和右?guī)臀灰?、左幫位移和右?guī)臀灰?、頂板位移和底鼓的關系均比較復雜,沒有明顯的相關關系。煤層傾角為12°~16°時,左幫位移和右?guī)臀灰频耐叫耘c頂板位移和底鼓的同步性是相同的。

        (2)煤層傾角為10°~18°時,煤層傾角的變化對兩幫穩(wěn)定性的影響是相同的;煤層傾角為10°~14°時,煤層傾角的變化對頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相同的;煤層傾角為14°~18°時,煤層傾角的變化對頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相反的。

        (3)煤層傾角為10°~18°時,頂板位移和底鼓的最佳支護角具有良好的反向同步性;煤層傾角為12°~15°時,左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角具有很強的同步性;煤層傾角為10°~12°和15°~18°時,左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo角具有良好的反向同步性。

        (4)總體而言,煤層傾角為10°~18°時,91°~93°的頂板錨桿支護角度是最佳支護角出現(xiàn)的最佳區(qū)間。

        [1] 陳文強,賈志欣,趙宇飛等. 剪切過程中錨桿的軸向和橫向作用分析 [J]. 巖土力學, 2015(1)

        [2] 陳麗俊,張運良,馬震岳等. 軟巖隧洞鎖腳錨桿-鋼拱架聯(lián)合承載分析 [J]. 巖石力學與工程學報, 2015(1)

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