李 鵬
(山西能源學(xué)院,山西省晉中市,030600)
應(yīng)力場是分析巷道圍巖變形與破壞、圍巖與支護(hù)體共同作用的關(guān)鍵。錨桿(索)預(yù)緊力和間排距會(huì)對其附加應(yīng)力場產(chǎn)生顯著影響。
韋四江等采用相似模擬手段對錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化特征進(jìn)行分析,結(jié)果表明其峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)與錨桿預(yù)緊力呈正相關(guān)。韋四江等采用數(shù)值模擬手段對錨固體的形成與失穩(wěn)進(jìn)行研究,得出附加應(yīng)力隨錨桿間距減小而增大,隨預(yù)緊力增大而增大。劉愛卿等經(jīng)過相似模擬對錨桿加固作用進(jìn)行研究,得出節(jié)理巖體的初期剪切剛度隨著預(yù)緊力提高而增大。李志兵等通過建立力學(xué)模型對預(yù)緊力與預(yù)緊力矩的關(guān)系進(jìn)行研究,給出了相應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式。筆者以華燁煤業(yè)5號煤層為研究對象,采用數(shù)值模擬手段,對預(yù)緊力及間排距影響下的錨桿(索)附加應(yīng)力場進(jìn)行分析研究,研究了單根錨桿(索)附加應(yīng)力場形態(tài)、附加應(yīng)力峰值隨預(yù)緊力變化規(guī)律、錨桿群附加應(yīng)力分布隨間排距變化規(guī)律、錨桿(索)附加應(yīng)力場隨錨桿布置方式變化規(guī)律以及錨桿(索)共同作用機(jī)理,對采用最優(yōu)支護(hù)方案的巷道進(jìn)行了現(xiàn)場圍巖變形觀測。
華燁煤業(yè)5號煤層平均埋深370 m,平均厚度6 m,地層傾角3°~6°,煤體及圍巖軟弱破碎。工作面長度150 m,采用綜采放頂煤工藝,生產(chǎn)能力1.2 Mt/a。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告內(nèi)容,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立x向(巷道寬度方向)×y向(巷道軸向)×z向(巷道高度方向)=44 m×20 m×43 m的模型,利用局部加密方式劃分網(wǎng)格。圍巖采用莫爾—庫倫模型分析計(jì)算,錨桿(索)采用cable單元模擬,并通過pretension關(guān)鍵字施加預(yù)緊力,刪除并重建剛性連接模擬托盤。為研究錨桿(索)附加應(yīng)力場,模型初始條件為:地應(yīng)力賦值為0,重力加速度為0,模型外部面采用限制法向位移。采用group關(guān)鍵字與delete關(guān)鍵字沿煤層(厚度6 m)底板布置寬×高=4 m×3 m的巷道,如圖1所示(圖中綠色模塊為煤層巷道)。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。
圖1 數(shù)值模型示意圖
巖石名稱容重/g·cm-3抗拉強(qiáng)度/MPa泊松比彈性模量/GPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)中砂巖2.635.130.2923.6212.9130.1砂質(zhì)泥巖2.376.110.3312.037.3326.7粉砂巖2.613.160.2333.929.8723.2泥巖2.322.910.2217.326.5125.35號煤層1.390.370.213.311.3226.1砂質(zhì)泥巖2.535.720.2312.7210.3123.3細(xì)粒砂巖2.626.710.3523.67131127.9粉砂巖2.565.230.3130.156.2126.1
為研究預(yù)緊力影響下單根錨桿(索)在巷道圍巖中的附加應(yīng)力場,在巷道頂板中部垂直向上打一根錨桿或錨索,進(jìn)行平衡計(jì)算。錨桿的幾何參數(shù)為:?22 mm×2200 mm,錨索的幾何參數(shù)為?20 mm×7000 mm。錨桿預(yù)緊力分別為20 kN、40 kN、60 kN、80 kN和100 kN,錨索預(yù)緊力分別為40 kN、80 kN、120 kN、160 kN和200 kN。
選取預(yù)緊力均為40 kN的錨桿(索)進(jìn)行對比分析,其產(chǎn)生的附加應(yīng)力等值面如圖2所示。
圖2 錨桿(索)附加應(yīng)力等值面圖
由圖2可知,在相同預(yù)緊力情況下,錨桿(索)托盤附近附加應(yīng)力峰值相近,但遠(yuǎn)離托盤時(shí),錨索附加應(yīng)力降低較快;錨桿(索)錨固段附近出現(xiàn)附加拉應(yīng)力,且錨索附加拉應(yīng)力無論在數(shù)值和范圍上,都顯著較錨桿大;錨桿(索)附加應(yīng)力值均在錨固段尾部(下部)附近接近于0。這說明錨桿(索)產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力集中在托盤附近,并向圍巖深部逐漸減小,可有效抑制圍巖原生裂隙的張開與滑移;對圍巖加固不利的附加拉應(yīng)力集中在錨固段及其上部區(qū)域,應(yīng)避免使此區(qū)域包絡(luò)巖層分隔面。
由于不同預(yù)緊力下錨桿(索)應(yīng)力場形態(tài)相近,選取應(yīng)力峰值作為因變量來描述預(yù)緊力對附加應(yīng)力場的影響,并將其繪入坐標(biāo)系,如圖3所示。
圖3 預(yù)緊力影響下的錨桿(索)附加應(yīng)力峰值
由圖3可知,在誤差范圍內(nèi)可認(rèn)為錨桿(索)附加應(yīng)力峰值隨預(yù)緊力增大而線性增大。這表明預(yù)緊力對發(fā)揮錨桿(索)支護(hù)能力是至關(guān)重要的,增大預(yù)緊力可在較低成本條件下大幅提升錨桿(索)支護(hù)能力。
為研究間排距影響下錨桿在巷道圍巖中引起的附加應(yīng)力場,固定錨桿預(yù)緊力為60 kN,錨索預(yù)緊力為120 kN,對間排距分別為600 mm×600 mm、800 mm×800 mm和1000 mm×1000 mm的3種方案進(jìn)行分析。
不同間排距影響下的錨桿附加應(yīng)力場如圖4所示。由圖4可知,3種間排距方案下,錨桿均在圍巖淺部形成附加壓應(yīng)力區(qū),但均勻程度及連續(xù)程度隨間排距增大而減??;根據(jù)應(yīng)力等值線,錨桿在圍巖中引起的附加應(yīng)力場范圍隨間排距增大而不斷減?。?種方案下,錨桿生成的拉應(yīng)力區(qū)(白色等值線范圍內(nèi))均包絡(luò)了巖層分隔面,這對抑制頂板離層起到了相反的作用,對巷道支護(hù)極為不利。
圖4 不同間排距影響下的錨桿附加應(yīng)力場
為研究錨索布置方式對錨桿(索)附加應(yīng)力場的影響,固定錨桿間排距為800 mm×800 mm。對錨索布置方式分別為“二二”、“三花”和“五花”的3種方案進(jìn)行分析。
不同錨索布置方式的錨桿(索)附加應(yīng)力場如圖5所示。
圖5 不同錨索布置方式的錨桿(索)附加應(yīng)力場
對比圖5與圖4可知,3種錨索布置方案下,錨索均顯著擴(kuò)大了錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū),且范圍隨錨索密度(“五花”>“二二”>“三花”)增大而不斷增大;“二二”布置與其他方案相比,巷道頂板中部壓應(yīng)力較小,而巷道頂板中部的變形破壞往往最為顯著,因此這種方案較差;3種方案下,錨索均消除了錨桿錨固段附近的附加拉應(yīng)力,而使此區(qū)域進(jìn)入壓應(yīng)力區(qū),這表明錨索可顯著減小錨桿尾部會(huì)差生拉應(yīng)力的弊端,對抑制頂板離層、維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定是必不可少的。
綜合考慮破碎圍巖、強(qiáng)烈回采擾動(dòng)等情況,以及礦方對安全生產(chǎn)的要求,采用間排距為600 mm×600 mm的錨桿(預(yù)緊力60 kN),“五花”布置(預(yù)緊力100 kN)方案對50301工作面上下平巷進(jìn)行支護(hù),并對軌道平巷圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果如圖6所示。
圖6 巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果
監(jiān)測結(jié)果顯示,測站距工作面<40 m時(shí),巷道表面位移量快速增大。自測站建立時(shí)算起,測站距工作面40 m時(shí),軌道平巷頂?shù)装逡平繛?2 mm,兩幫移近量為73 mm;測站距工作面0 m時(shí)(即該處巷道即將報(bào)廢時(shí)),頂?shù)装逡平繛?39 mm,兩幫移近量為337 mm。這表明該巷道受采動(dòng)強(qiáng)烈,但所采用的方案將圍巖變形控制在了較小的范圍內(nèi)。
(1)單根錨桿(索)產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力集中在托盤附近,并向圍巖深部逐漸減小,可有效抑制圍巖原生裂隙的張開與滑移;產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力集中在錨固段附近及其上部區(qū)域,應(yīng)避免使此區(qū)域包絡(luò)巖層分隔面。
(2)在誤差范圍內(nèi)可認(rèn)為錨桿(索)附加應(yīng)力峰值隨預(yù)緊力增大而線性增大。增大預(yù)緊力可在較低成本條件下大幅提升錨桿(索)支護(hù)能力。
(3)錨桿群在圍巖淺部形成附加壓應(yīng)力區(qū),其均勻程度、連續(xù)程度以及影響范圍隨間排距增大而減小。
(4)錨索可顯著擴(kuò)大錨桿產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力區(qū),并消除錨桿錨固段附近的附加拉應(yīng)力,而使此區(qū)域進(jìn)入壓應(yīng)力區(qū),這對抑制頂板離層、維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定是十分重要的。