東海煤礦錨桿及注漿支護模擬

金珠鵬,孫廣義

(黑龍江科技學院資源與環境工程學院，黑龍江哈爾濱 150027)

東海煤礦弧形底角巷道以其獨特的去直取圓的斷面設計思路，去除了直角拱形巷道中引起應力集中的兩個直角底角，以兩段弧形代替，這種斷面形式有效減小了巷道底板應力集中的范圍和強度，有利于控制巷道的穩定性及底鼓[1]。在東海礦的地質條件下(圍巖中有煤層)，并不是底角半徑越大應力集中的范圍和程度就越小，根據大量的分析研究，有利于控制巷道穩定性及底鼓變形量的底角半徑為1.9 m，1.0 m，1.3 m，綜合考慮施工的難易程度，巷道斷面的利用率，選擇底角半徑為1.0 m比較合適[2]。

同時新方案要求新掘巷道在施工過程中不但在巷道兩側底角設計成弧形，并打底角錨桿，以此來減小底角處由應力集中所造成的損害和增加底角圍巖自身的承載能力，因此本文主要分析研究較為合理的控制底板變形的錨桿數量以及模擬研究巷道圍巖在注漿前后，巷道圍巖應力分布情況，分析研究巷道圍巖注漿后應力變化，并總結注漿支護機理[3]。本文采用ANSYS軟件進行模擬。

1 數值模擬模型的建立

1.1 弧形底角巷道底角錨桿建模

根據對東海煤礦分析研究弧形底角巷道模型尺寸：底角半徑1.0 m，半圓拱半徑2m，直墻高度0.9 m，巷道寬4m。整體模型尺寸：30m×26m，模型范圍內布置兩種巖體：即模型范圍內只有巷道(粉砂巖)及其圍巖(粉細砂巖)兩種巖石，根據研究的需要，為東海煤礦深部巷道圍巖控制數值模擬提供巖石力學參數依據，結合實驗室對巖石力學參數的測定及數值模擬參數的轉換，得出力學參數見表1。

在巷道頂板施加3根2m錨桿情況下，分別對：巷道底板無支護情況，巷道底板施加2根2m錨桿情況，巷道底板施加4根2m錨桿情況，錨桿以施加約束的方式施加，進行模擬。巖層使用Plane42單元進行模擬[6]。

表1 換算后的參數表

1.2 注漿支護模擬建模

模擬地下1000 m處下山巷道圍巖在注漿支護條件下的應力分布情況，按1.1中弧形底角巷道的尺寸及整體模型尺寸建立幾何模型。各巖層使用Plane42單元對圍巖注漿前后進行模擬。注漿支護實施方法：在注漿范圍內(3m)，通過增加注漿范圍內巖體的力學參數來模擬注漿效果[4]。通過改變注漿范圍內的巖層的屬性來模擬注漿支護效果：注漿范圍內的巖層的部分力學參數(包括彈性模量，粘聚力，內摩擦角)提高一倍[5]。

2 加載求解過程

模擬原始應力，施加豎向和水平荷載，在模型底部施加豎向位移約束。

埋深取：1000m。綜合考慮泊松比與構造應力的影響，巷道的應力狀態取水平應力與垂直應力相等的靜水壓力狀態。

即：σv=rH=25MPa

(2-1)

σh=σv=rH

(2-2)

式中：r為上覆巖石平均容重(KN/m3)；H為埋深(m)；σv為巷道圍巖垂直壓力(MPa)；σh為巷道圍巖水平壓力(MPa)

其數值為：25MPa。

3 數值模擬結果

不同錨桿布置數值模擬結果見表2。

表2 不同錨桿布置模擬結果分析

4 分析結果總結

4.1 不同錨桿布置模擬結果分析

底板未施加錨桿時，巷道附近圍巖應力較大，且底板的塑性應變較大。底角附近施加兩根錨桿后，底板附近的應力狀態有所改善，底板塑性應變大幅減小。在底角施加四根錨桿后，錨桿附近應力增大，底板附近的應力轉移到遠處，底板塑性應變不大。綜合以上分析情況，在底角附近施加兩根錨桿能夠有效減小底板的塑性應變，控制底鼓的發生。

4.2 巷道圍巖注漿后應力變化分析

注漿后，對比注漿前，巷道附近圍巖的應力向深部轉移，巷道遠處模型范圍內(30m×26m)巖體應力普遍增高，這一特點在X方向應力和豎直方向應力都有顯著的體現，由此可以說明在向圍巖注漿后，注漿范圍內圍巖的性質有了明顯的改善：巖體的彈性模量，抗壓強度等力學參數變大了，導致原本在巷道附近的應力集中向圍巖深處轉移了。注漿這種支護方式通過改善圍巖的力學參數(從而使應力集中向圍巖深處發展)達到了支護的效果。

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