李治祥，王福奇，田斌，吳軍，經(jīng)來旺，張瀚文

(1. 華亭煤業(yè)大柳煤礦有限公司，甘肅省平?jīng)鍪校?44100；2.安徽理工大學(xué)光電和力物學(xué)院，安徽省淮南市，232001；3. 安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽省淮南市，232001)

現(xiàn)階段我國西部地區(qū)煤炭開采過程中井下巷道變形破壞程度十分嚴(yán)重，面臨著嚴(yán)峻的軟巖巷道支護(hù)難題[1]。以甘肅華亭煤業(yè)大柳煤礦為例，1405工作面進(jìn)風(fēng)巷道掘進(jìn)初期便發(fā)生嚴(yán)重底鼓變形，隨后全斷面收縮變形，局部區(qū)域受淋水影響支護(hù)結(jié)構(gòu)近乎失效。具體表現(xiàn)在頂板最大下沉量達(dá)800 mm，幫部最大內(nèi)移量達(dá)1 000 mm，墻角最大鼓出量達(dá)1 200 mm，底鼓最大變形量達(dá)1 800 mm。目前該通風(fēng)巷道已開展多輪刷幫臥底再支護(hù)工作(由于井工礦井巷道受地壓的原因，巷道兩側(cè)會往回聚，巷道的頂板和底板會產(chǎn)生下沉和底鼓，這樣巷道的斷面就不夠，會帶來不安全因素，這時就需要對巷道兩側(cè)和底板進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)巷道兩幫就叫“刷幫”，修復(fù)底板就叫“臥底”，也叫“起底”)，但變形情況仍然沒有得到改善。

學(xué)者們針對軟巖巷道大變形問題給出了多種支護(hù)方案[2-5]，例如薛維培在許疃煤礦南翼運輸大巷支護(hù)設(shè)計時提出錨桿與金屬支架相互增強(qiáng)技術(shù)[6]；彭巍針對大雁礦區(qū)軟巖巷道變形特征以及礦壓作用情況，提出以錨噴支護(hù)為主體U型鋼為輔的綜合支護(hù)技術(shù)[7]；郭相平根據(jù)新元煤礦9102原回風(fēng)巷大變形情況，設(shè)計出全錨索支護(hù)方案[8]。需要強(qiáng)調(diào)的是根據(jù)巷道所處地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力狀態(tài)等制約因素不同，相應(yīng)地支護(hù)設(shè)計方案也不相同。

筆者以甘肅華亭煤業(yè)大柳煤礦1406工作面回風(fēng)巷道為研究對象，從蠕變變形控制問題入手，采用ABAQUS數(shù)值模擬方法研究錨桿+錨索+注漿一體化支護(hù)對巷道圍巖變形的控制情況，為支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1406工作面回風(fēng)巷道與1405工作面采空區(qū)相鄰，巷道斷面為梯形，上頂寬4.70 m、下底寬5.40 m、高4.55 m，巷道兩幫和底板均處于4號煤層，煤層埋深在500～600 m，可采厚度4.46～8.29 m，普氏系數(shù)0.7，含夾矸0～2層，夾矸厚度0～0.6 m，4號煤層圍巖柱狀如圖1所示。由于1406工作面回風(fēng)巷道面臨2個附近工作面重復(fù)采動作用，巷道圍巖受到二次擾動影響，應(yīng)力分布更加復(fù)雜且支護(hù)難度較大。

圖1 4號煤層圍巖柱狀

2 數(shù)值模擬研究

2.1 蠕變本構(gòu)模型

數(shù)值計算采用Drucker-Prager Creep模型：εc(t)′=Aqntm，兩邊同時對t求積分，如式(1)所示：

(1)

式中：εc(t)——某一時刻的應(yīng)變；

A、m、n——蠕變參數(shù)；

q——圍巖壓力；

t——時間；

c——常數(shù)，取0。

2.2 模型介紹

數(shù)值分析模型為50 m×50 m×4 m的三維立體模型，巖層分布如圖1所示，中間部分是煤層。巷道為一條等腰梯形巷道，上頂寬4.70 m，下底寬5.40 m，腰長4.56 m，高4.55 m。圍巖共劃分出17 220個C3D8R結(jié)構(gòu)單元，錨桿/錨索使用三維線作出，Assombly模塊與巖體模型組裝在一起，通過嵌入的方式定義錨桿/錨索與巖體之間地相互作用，共劃分出1 659個T3D2桁架單元。模型左右邊界X方向位移、前后邊界Y方向位移均設(shè)定為零，上覆巖層壓力12.575 MPa，重力加速度10 m/s2，水平側(cè)壓系數(shù)0.75[9]，模型荷載及邊界條件如圖2所示。

圖2 模型荷載及邊界條件

2.3 支護(hù)方案設(shè)計

采用錨桿+錨索+注漿一體化支護(hù)方案，頂板錨桿采用Φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，兩幫采用Φ17.8 mm×3 650.0 mm高強(qiáng)鋼絞線錨索，間排距均為800 mm×800 mm，頂板錨索采用Φ21.8 mm × 7 300.0 mm高強(qiáng)鋼絞線錨索，布置形式為3-4-3交錯排列，間排距為1 500(1 600) mm×800 mm。頂部長錨索與短錨桿交錯布置，具體錨桿/錨索斷面布置如圖3所示。由于受地下水和局部淋水影響，巷道底板巖層泥化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，故在錨桿+錨索支護(hù)基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行底部注漿和三幫注漿，注漿范圍為巷道底部和幫部順其方向向外延伸5.5 m的圓弧區(qū)域[10]。數(shù)值計算過程中，將模型分為上部圍巖、煤體、注漿后煤體、下部圍巖，相應(yīng)的計算參數(shù)見表1。

圖3 錨桿/錨索3-4-3斷面布置

表1 數(shù)值計算參數(shù)

續(xù)表1

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

為了更清晰地分辨不同方案支護(hù)效果的差異，共開展了4種支護(hù)方案下的數(shù)值分析，依次是未支護(hù)、錨桿錨索支護(hù)、錨桿錨索支護(hù)+底部注漿、錨桿錨索支護(hù)+三幫注漿。

3.1 Mises應(yīng)力分析

Mises是一種綜合考慮了第1、第2、第3主應(yīng)力的強(qiáng)度準(zhǔn)則(主應(yīng)力是指物體內(nèi)某一點以法向量的微面積元上剪應(yīng)力為零時的法向應(yīng)力，根據(jù)受力物體內(nèi)任意一點的應(yīng)力狀態(tài)，都可取1個直角坐標(biāo)系(x、y、z)，使3個坐標(biāo)軸分別與互相垂直的3個主應(yīng)力方向重合，這3個軸就叫作主應(yīng)力軸，又按主應(yīng)力的大小，即σ1>σ2>σ3的順序，分別稱之為最大主應(yīng)力軸、中間主應(yīng)力軸和最小主應(yīng)力軸)，可以用來評價疲勞、破壞等現(xiàn)象。Mises應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力，其值見式(2)：

(2)

式中：σ——Mises應(yīng)力；

σ1、σ2、σ3——第1、第2及第3主應(yīng)力。

模擬不同支護(hù)方案下，3個月蠕變后Mises應(yīng)力分布如圖4所示。圖4(a)中由于煤層較軟的緣故，Mises最大應(yīng)力位于巷道左右上方圍巖內(nèi)，最大值達(dá)到13.67×106Pa；圖4(b)中Mises最大應(yīng)力集中位置分布在巷道幫部和底部，近似呈閉合狀，顯然增加錨桿錨索支護(hù)后巷道幫部及底部Mises應(yīng)力值增加；當(dāng)對巷道底部進(jìn)行注漿補強(qiáng)支護(hù)后，如圖4(c)所示，最大應(yīng)力主要集中在底部注漿區(qū)域；圖4(d)則是三幫注漿補強(qiáng)支護(hù)后，Mises應(yīng)力值得到明顯提高，最大值達(dá)到15.01×106Pa，應(yīng)力集中區(qū)域在巷道兩幫位置且呈對稱分布。

圖4 不同支護(hù)方案3個月蠕變后應(yīng)力分布

3.2 位移分析

不同支護(hù)方案下3個月蠕變后位移分布如圖5所示。由圖5(a)可以看出，巷道最大位移發(fā)生在巷道兩幫處，左右兩幫位移達(dá)到3.100 m，底鼓位移也發(fā)生較大的位移變形，達(dá)到1.376 m，巷道基本被堵死，不能進(jìn)行正常的生產(chǎn)活動。由圖5(b)可以看出，位移情況發(fā)生很大變化，兩幫的位移變形由未支護(hù)的3.10 m減少為0.49 m，減少了84%以上，效果比較明顯；底鼓位移變形由未支護(hù)的1.37 m減少為0.88 m，減少了0.49 m，兩幫錨索對底鼓位移也產(chǎn)生了一定的抑制作用；頂板下沉由未支護(hù)的0.88 m減小為0.10 m，減少了0.78 m；頂部3-4-3式錨桿錨索支護(hù)對頂板下沉而言效果顯著。相對于圖5(b)而言，圖5(c)中兩幫位移由0.490 m減少為0.418 m，頂部下沉位移基本沒有變化，底鼓位移由0.88 m減小為0.29 m，減少0.59 m，底鼓基本上得到了控制；底部注漿在錨桿錨索基礎(chǔ)上對底鼓位移起到了很大的控制作用。相對于圖5(c)而言，圖5(d)中兩幫位移變形由原來的0.418 m減小為0.245 m，減少0.173 m，但是底鼓位移由于兩幫位移下沉，導(dǎo)致底鼓位移由原來的0.29 m增加為0.36 m，增加0.07 m。

圖5 不同支護(hù)方案3個月蠕變后位移分布云

3.3 三幫中點蠕變位移分析

為便于進(jìn)一步分析，在巷道周邊取4個關(guān)鍵點，關(guān)鍵點1是巷道頂板中點、關(guān)鍵點2和3是巷道左右兩幫中點，關(guān)鍵點4是巷道底板中點，由此可繪制出三幫中點蠕變位移曲線[11]，如圖6所示。由圖6(a)可以看出，未加支護(hù)時，頂板下沉隨著蠕變時間的增加而增大，3個月后下沉達(dá)到0.88 m，加錨桿錨索后頂板下沉起到抑制作用，最大達(dá)到0.08 m，相對于未支護(hù)減少了0.80 m，不同組合的注漿支護(hù)相對于加錨桿錨索支護(hù)而言，對頂板下沉位移基本沒有起作用。由圖6(b)可以看出，未加支護(hù)時，右?guī)臀灰齐S蠕變時間的增加而迅速增大，最大位移達(dá)到3.1 m，若不做支護(hù)處理，巷道會因兩幫變形的增大而堵塞。加錨桿錨索支護(hù)后，兩幫位移起到很好的抑制作用，隨蠕變時間的增長位移達(dá)到穩(wěn)定值。不同形式的注漿，尤其是三幫注漿后，兩幫位移為0.24 m，達(dá)到巷道支護(hù)要求。由圖6(c)可以看出，未加支護(hù)時，底鼓位移迅速增加，在3個月的蠕變時間內(nèi)，最大底鼓量達(dá)到1.37 m，在錨桿錨索支護(hù)+三幫注漿時，底鼓變形最大達(dá)到0.36 m，但在錨桿錨索支護(hù)+底部注漿時，底鼓變形量最大為0.29 m，明顯減少。

圖6 三幫中點蠕變位移曲線

4 結(jié)論

(1)Mises應(yīng)力分析結(jié)果表明，與未支護(hù)和幫頂錨桿錨索支護(hù)相比，注漿后的Mises應(yīng)力有所提高，表明圍巖的強(qiáng)度提高，注漿區(qū)能承擔(dān)一部分應(yīng)力集中情況，應(yīng)力在巷道圍巖相對較近的地方達(dá)到峰值，說明圍巖松動圈半徑變小。

(2)位移變形結(jié)果表明，與未支護(hù)巷道變形相比，在幫頂加錨桿錨索支護(hù)對巷道變形起到了很好的抑制作用，但是注漿支護(hù)后效果更加明顯，可以達(dá)到安全生產(chǎn)的要求，進(jìn)一步證明注漿支護(hù)在抑制巷道變形方面起到了良好的作用。

(3)巷道兩幫和頂?shù)装逯g是相互作用的統(tǒng)一體，加強(qiáng)幫部支護(hù)在提高幫部強(qiáng)度的同時還能夠改善頂?shù)装迨芰顩r，提高巷道整體穩(wěn)定性。數(shù)值分析結(jié)果表明，控制幫部位移在一定程度上可以減少底鼓的上升量，說明幫部強(qiáng)化對底鼓位移有很好的抑制作用。