肖宇,王衛(wèi)軍,2*,袁超,黃聰,唐利明

(1.湖南科技大學(xué) 資源與環(huán)境安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

近幾十年來隨著我國不斷地發(fā)展,對能源的需求量也在不斷加大,淺部的煤炭資源已經(jīng)逐漸枯竭,為實現(xiàn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,我國的煤礦開采逐漸轉(zhuǎn)向深部.隨著開采深度的增加,圍巖環(huán)境更加復(fù)雜,圍巖非線性大變形力學(xué)現(xiàn)象愈加突出,巷道支護(hù)與維護(hù)更加困難.絕大多數(shù)巷道圍巖出現(xiàn)了大變形破壞特征[1-3].大量研究成果表明[4-9]圍巖塑性區(qū)的發(fā)育情況會直接導(dǎo)致巷道圍巖變形破壞,巷道變形的模式和程度取決于塑性區(qū)的形態(tài)和范圍.巷道斷面收縮嚴(yán)重,出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓和冒頂現(xiàn)象,造成圍巖變形破壞極其嚴(yán)重及支護(hù)愈加困難,返修率較普通巷道顯著增高,巷道維護(hù)成本居高不下,嚴(yán)重制約了煤礦企業(yè)的開采效益.由此可見,巷道圍巖大變形破壞及其控制方法是我們現(xiàn)在亟待解決的問題.

專家學(xué)者為了了解巷道大變形的原理和找到大變形巷道的支護(hù)方法做了大量的研究.康紅普等[10]基于高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)理論,對漳村煤礦一條受2次強(qiáng)烈動壓影響的對穿巷道進(jìn)行了全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索現(xiàn)場支護(hù)實驗;周安偉等[11]通過數(shù)值計算,模擬了支護(hù)與注漿加固兩幫后巷道的頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)定性,研究認(rèn)為巷道兩幫的加固有利于巷道頂?shù)装鍑鷰r的穩(wěn)定性.何富連和張廣超[12]分析了受相鄰大型綜放工作面劇烈采動影響煤巷破壞失穩(wěn)的根本原因及破壞過程,并提出了桁架錨索與注漿支護(hù)技術(shù);康紅普等[13]對錨桿支護(hù)應(yīng)力場進(jìn)行了測試,測試了單根與2根錨桿在不同拉伸載荷下的支護(hù)應(yīng)力值及應(yīng)力場分布特征,分析了2根錨桿形成的支護(hù)應(yīng)力場相互疊加與影響的特點;王衛(wèi)軍等[14]通過研究采動加卸載作用下圍巖應(yīng)力場的分布規(guī)律,揭示了動壓底板巷道的大變形失穩(wěn)機(jī)制;還研究了支護(hù)阻力對深部高應(yīng)力巷道圍巖變形與塑性區(qū)的影響,提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足圍巖大變形的協(xié)調(diào)支護(hù)原則[15].

基于上文,目前的研究大多是圍巖塑性區(qū)對巷道變形的影響或者只是討論了錨桿間排距對控制巷道變形的影響,沒有從錨固段所處位置的角度進(jìn)行分析.筆者采用數(shù)值模擬和理論分析的方法,對巷道大變形的原因和錨桿及錨索錨固段位置對巷道破壞程度的影響進(jìn)行了研究,對研究錨桿及錨索錨固段位置對巷道穩(wěn)定性影響提供了研究基礎(chǔ)和工程價值.

1 工程背景

圖1 巷道支護(hù)

江西省曲江煤礦目前開采水平為-850 m,埋深超過900 m.主采B4煤層平均厚度約2.8 m,煤層平均傾角約12°,B4煤直接頂主要有砂質(zhì)泥巖、泥巖與煤線互層,底板主要為黑褐色粉砂巖和炭質(zhì)泥巖.

212工作面風(fēng)巷為梯形斷面,巷道上寬和下寬分別為3.0 m和3.4 m,凈高為2.6 m.其支護(hù)方式為高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力桁架支護(hù),錨桿間排距為800 mm×800 mm,錨索間排距為850 mm×1 250 mm,長7.3 m,預(yù)緊力達(dá)到 60～70 kN,高幫同頂板一道布置一套桁架錨索;低幫布置的錨索梁,排距為1 400 mm,錨桿間排距與高幫相同,其他錨桿及錨索具體布置方式如圖1所示.

2 巷道圍巖塑性區(qū)分析

現(xiàn)如今已經(jīng)有不少專家學(xué)者研究認(rèn)為[16-18]巷道圍巖的塑性區(qū)并不是簡單的圓形,當(dāng)巷道處于深部不等壓的狀態(tài)下時塑性區(qū)的形狀是不規(guī)則的.并且有學(xué)者推導(dǎo)出非等壓條件下塑性區(qū)半徑r關(guān)于θ的隱性方程及塑性區(qū)的形狀.

隱性方程如式(1)所示.

(1)

圖2 不同測壓系數(shù)條件下巷道圍巖的塑性區(qū)邊界

式中:P1為垂直應(yīng)力;λ為垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的比值;R0為巷道半徑;r和θ為任一點的極坐標(biāo);c,φ分別為圍巖黏聚力和內(nèi)摩擦角.

通過式(1)借助MATLAB和CAD等軟件計算并繪制出不同側(cè)壓系數(shù)下塑性區(qū)的形狀,并且揭示了塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律和側(cè)壓系數(shù)的關(guān)系.得到的巷道圍巖塑性區(qū)邊界近似曲線如圖2所示.

由圖2可以清楚地看到當(dāng)巷道處于非等壓的條件下時,圍巖塑性區(qū)一般為蝶型.參考我國煤礦開采現(xiàn)狀,埋深較淺的煤炭資源幾乎開采完畢,為實現(xiàn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,開采深度逐年增加,深部巷道也越來越多.埋深大的巷道幾乎全是高應(yīng)力非等壓的條件下,也就是說巷道圍巖塑性區(qū)大多是蝶形塑性區(qū).基于此,本文就深部巷道圍巖塑性區(qū)展開研究.

3 錨桿-錨索錨固段對圍巖塑性區(qū)的影響

在當(dāng)前巷道的支護(hù)手段中,錨桿-錨索支護(hù)應(yīng)用得最為廣泛,而錨桿-錨索的錨固段位于圍巖中的位置會直接地影響到支護(hù)效果.錨固段在圍巖中位置一般分為兩種:第一種是錨固段在塑性區(qū)，第二種錨桿貫穿了塑性區(qū)錨固段到達(dá)了彈性區(qū).因彈塑性區(qū)圍巖強(qiáng)度差異,錨固段處于不同的位置對控制圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展的效果是不同的,同時對巷道的支護(hù)效果也是有差異的.已有成果中[18,19]多為使用有限元模擬軟件如FLAC3D進(jìn)行模擬,為驗證錨桿錨索不同錨固段對塑性區(qū)發(fā)育的影響，本文使用離散元模擬軟件3DEC進(jìn)行研究.

4 錨固段對圍巖塑性區(qū)影響3DEC數(shù)值模擬

4.1 使用離散元軟件模擬巷道圍巖的優(yōu)勢

巖體中每個巖塊之間存在節(jié)理、裂隙等,使整個巖體成為不完全連續(xù)體,以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的有限元等數(shù)值計算方法難以模擬巖體的離層和脫落過程.3DEC是基于離散元單元法的三維計算機(jī)數(shù)值模擬程序,離散單元法的原理是假設(shè)被節(jié)理裂隙切割的巖塊是剛體,巖石塊體按照整個巖體的節(jié)理裂隙相互鑲嵌排列,每個巖塊在空間有自己的位置并處于平衡狀態(tài),在模擬巖體的離層和脫落過程具有得天獨厚的優(yōu)勢,選用離散元模擬軟件進(jìn)行模擬計算能使數(shù)值模型與工程實際更加貼切.

4.2 模型尺寸及參數(shù)

通過上文的理論分析,我們知道錨固段處于不同的位置對控制圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展的效果也是不同的,同時對巷道的支護(hù)效果也是不一樣的,為了能夠更直觀的體現(xiàn)錨桿錨固段位置的不同對巷道圍巖位移以及塑性區(qū)發(fā)展的影響,運(yùn)用 3DEC數(shù)值分析軟件計算模型,模型尺寸:50 m×50 m×20 m;計算模型側(cè)壓系數(shù)設(shè)置為0.3[15];通過工程背景可知巷道所處位置的原巖應(yīng)力為27 MPa,模型除上部自由外其他面固定位移約束,上部施加應(yīng)力模擬上覆巖層重力,計算模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則.

圍巖應(yīng)力場與位移場主要的決定因素是巖體本身的物理力學(xué)性質(zhì)與巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境.在地下工程中,巷道圍巖體往往不是均質(zhì)的,為消除圍巖巖體力學(xué)參數(shù)對模型計算結(jié)果的影響,筆者將計算模型的圍巖力學(xué)參數(shù)取為同一種巖體力學(xué)參數(shù)(見表1).同時取與實際的梯形斷面相似的4 m×4 m的矩形斷面巷道進(jìn)行模擬.

表1 巖石參數(shù)

4.3 不同錨固段條件下塑性區(qū)的發(fā)展情況及分析

圖3是錨固段處于不同位置情況下的深部巷道圍巖塑性區(qū)范圍與形態(tài).

圖3 錨固段處于不同位置情況下的深部巷道圍巖塑性區(qū)范圍與形態(tài)

數(shù)值模擬計算結(jié)果表明,由于錨固段位置的差異導(dǎo)致對控制圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展的效果也是不同的.從圖3的錨桿錨索受力情況分析,當(dāng)錨固段在塑性區(qū)的時候錨桿受到的力比較小,沒能充分地發(fā)揮錨桿的支護(hù)性能,當(dāng)使用錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù)使錨固段完全處于彈性區(qū)范圍內(nèi),穿過塑性區(qū)的錨索與圍巖黏結(jié)在一起并且懸吊在彈性區(qū)堅硬和完好的巖體上，這樣就能有效地控制塑性區(qū)的擴(kuò)展.在未支護(hù)時塑性區(qū)的蝶葉長度為26.5 m(圖3a),錨固段在塑性區(qū)時蝶葉長度為11.67 m(圖3b),錨固段在彈性區(qū)時蝶葉長度為7 m(圖3c).錨固段在塑性區(qū)時對塑性區(qū)的控制量為14.83 m,錨固段在彈性區(qū)時對塑性區(qū)的控制量為19.5 m.所以當(dāng)錨固段在塑性區(qū)的時候雖然對塑性區(qū)也有控制效果,但是效果并不明顯,然而當(dāng)錨固段位于彈性區(qū)的時候塑性區(qū)就能夠得到明顯的控制.

4.4 不同錨固段條件下巷道圍巖位移情況及分析

圖4是未支護(hù)條件下(4a),錨固段在塑性區(qū)(4b)和錨固段在彈性區(qū)(4c)時巷道圍巖在X方向的位移情況.

圖4a中,巷道左側(cè)最大位移量為298 mm,右側(cè)最大位移量為296 mm;圖4b中,巷道左側(cè)最大位移量為187 mm,右側(cè)最大位移量為195 mm;圖3c中,巷道左側(cè)最大位移量為45 mm右側(cè)最大位移量為45 mm.錨固段在塑性區(qū)時巷道左側(cè)最大位移量減少了111 mm,右側(cè)減少101 mm;錨固段在彈性區(qū)時巷道左側(cè)位移量減少253 mm,右側(cè)減少251 mm.

圖5是未支護(hù)條件下(5a),錨固段在塑性區(qū)(5b)和錨固段在彈性區(qū)(5c)時巷道圍巖在Z方向的位移情況.

圖4 錨固段處于不同位置情況下的深部巷道圍巖X方向位移

圖5 錨固段處于不同位置情況下的深部巷道圍巖Z方向位移

圖5a中,最大頂板下沉量為805 mm,最大底鼓量為533 mm;圖5b中,最大頂板下沉量為638 mm,最大底鼓量為428 mm;圖4c中,最大頂板下沉量為400 mm,最大底鼓量為200 mm.錨固段在塑性區(qū)時巷道頂板最大下沉量減少了167 mm,最大底鼓量減少了105 mm;錨固段在彈性區(qū)時巷道頂板最大下沉量減少了405 mm,最大底鼓量減少333 mm.

綜上,錨固段在塑性區(qū)時X方向巷道圍巖位移減少量是未支護(hù)條件下的34.1%,Z方向巷道圍巖減少量是未支護(hù)條件下的19.6%;錨固段在彈性區(qū)時X方向巷道圍巖位移減少量是未支護(hù)條件下的84.8%,Z方向巷道圍巖減少量是未支護(hù)條件下的56.4%.相比于錨固段處于塑性區(qū)范圍內(nèi),錨固段完全處于彈性區(qū)范圍內(nèi)能更加有效地控制巷道圍巖的變形量,支護(hù)效果更加顯著.大變形巷道中塑性區(qū)范圍較大,由于錨桿長度有限,錨桿錨固段完全處于塑性區(qū)范圍內(nèi),無法充分發(fā)揮錨固作用,應(yīng)加入錨索組成錨桿錨索耦合支護(hù),以實現(xiàn)控制巷道圍巖大變形的目的.

5 結(jié)論

1)相比錨固段位于塑性區(qū)范圍內(nèi),錨固段位于彈性區(qū)范圍內(nèi)的錨固效果更明顯,能更加有效地控制巷道圍巖的變形量,支護(hù)效果更加顯著.

2)塑性區(qū)蝶葉長度正相關(guān)于巷道斷面收縮量,即塑性區(qū)蝶葉越長巷道斷面的收縮量越大.

3)大變形巷道中塑性區(qū)范圍較大,錨桿長度有限,錨桿錨固段完全處于塑性區(qū)范圍內(nèi),無法充分發(fā)揮錨固作用;而錨桿-錨索耦合支護(hù)可實現(xiàn)錨固段處于彈性區(qū)范圍內(nèi),從而控制深部巷道圍巖大變形.