張家灣煤礦開切眼錨桿支護參數(shù)確定的數(shù)值模擬

劉洋　勾靖國

【摘 要】本文通過FLAC3D對張家灣堰煤礦6號煤層6106工作面，開切眼錨桿支護長度數(shù)的確定進行了數(shù)值模擬。通過模擬得到頂錨長度至少取2.4m，幫錨桿長度應(yīng)取1.8m。對工程現(xiàn)場確定錨桿的錨固長度有指導意義。

【關(guān)鍵詞】錨桿支護；數(shù)值模擬；開切眼

支護和加固也可以歸類為主動的或者被動的。主動支護的實施將在巖石表面施加一個事先確定好的荷載，對于長壁開采面它可以采用預拉的錨桿和錨索、液壓支柱、膨脹、膨脹式分段混凝土襯砌或動力支架的形式。在需要支護或單個巖塊或巖石松動區(qū)產(chǎn)生的重力荷載作用時，通常要求主動支護。被動支護或加固在施工時不需要加荷載，相反，支護荷載是隨巖體變形逐漸加上去的。被動支護可以用鋼拱、木架或復合式砌體設(shè)置，也可以用未預拉的巖石注漿錨桿、鋼筋或錨索來實現(xiàn)。未預拉的巖石注漿錨桿、鋼筋和錨索通常稱為錨栓。

錨桿支是屬于“以柔克剛，緩沖讓壓，穩(wěn)定支護”的基本準則。讓圍巖發(fā)生充分的變形、位移，使得圍巖由于邊界條件發(fā)生變化而引起應(yīng)力重新分布，引起的應(yīng)變能。充分發(fā)生位移會釋放大量的應(yīng)變能。提高圍巖的自承能力[1]。這就是錨桿支護的很大的一個優(yōu)點，自從有了錨桿支護以后，在礦山中支護問題已經(jīng)不是困擾采礦工程的主要問題了。

本文對同張家灣煤礦開切眼的頂板支護錨桿參數(shù)進行了確定，通過現(xiàn)場得測試：底鼓由原來的200～400mm減小到50～200mm；片幫次數(shù)減小到原來的40%，片幫塊度減小到原來的30%；碎石冒落次數(shù)和量減少到原來的30%，塊度減少到原來的25%。從以上數(shù)據(jù)可以看出支護效果得到顯著的提高。

1 錨桿的作用機理

錨桿可以用來懸吊層狀巖石中可能失穩(wěn)的頂板梁。錨桿錨固裝置一定要錯入到潛在破壞區(qū)以外。如假定不穩(wěn)定區(qū)的巖石重量全部由錨桿所承受而使錨桿受力，則有：T=γDs2

式中：T為每根錨桿的工作荷載；γ為巖石的容重；D為不穩(wěn)定區(qū)的厚度；s為縱向及橫向巖石錨桿間距。減跨作用：把頂板看成一個長的巖梁，在巷道頂板巖層中打入錨桿，錨桿簡化為一個鉸支座的力學模型。相當于把跨度大的巖石梁，通過錨桿打入巖石里，起到了減跨的作用。組合作用：把錨桿錨入巖石中，類似于一個層合巖梁變成疊合巖梁。由于上覆巖層對頂板的壓力一定則彎矩就一定，根據(jù)材料力學彎曲正應(yīng)力計算公式得，層合巖梁變成疊合巖梁，這樣彎曲應(yīng)力就減小了。這樣就使得圍巖應(yīng)力降低，改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。用錨桿錨固圍巖，圍巖和錨桿的相互擠壓形成一個承載環(huán)，這樣就提高了圍巖的承載能力。

2 煤及頂板巖石力學參數(shù)及穩(wěn)定性評價

6號煤層頂板為粘土巖，或為粗砂巖頂部為硬質(zhì)粘土巖，底板為軟質(zhì)粘土巖，遇水分解成泥狀可塑性強。

3 用FLAC3D有限差分軟件對6106工作面的仿真模擬

根據(jù)張家灣煤礦的地質(zhì)柱狀圖和6#煤層6106的地質(zhì)條件。建立相應(yīng)的數(shù)學力學分析模型來確定錨桿的支護參數(shù)。用FLAC3D有限差分軟件進行了數(shù)值模擬。該軟件是為巖土工程應(yīng)用而開發(fā)的，采用了拉格朗日顯式算法可以跟蹤材料的漸進破壞和垮落，這對采礦工程是很重要的[2]。

6#煤層的平均厚度為11m，在該煤層的地質(zhì)條件下開切眼，巷道總高度為3m。6106開切眼尺寸長7.5m，寬3.0m。巷道頂板層由頂煤、軟巖及硬巖層組成， 上覆巖層的模擬厚度到地面其厚度為87m。底板模擬邊界為10m，兩幫的模擬厚度為25m。對于邊界條件的確定，上部邊界條件簡化為應(yīng)力邊界條件，模型的下部邊界條件簡化為固定端，即下部邊界的位移為零。模型共劃分23000個六面體體單元，共有25533個節(jié)點。圍巖的物理力學參數(shù)以上述表格1的實測參數(shù)。

模擬中主要考慮圍巖屈服破壞的范圍，破壞準則是摩爾-庫倫準則。目的是用來確定錨桿的支護參數(shù)。切眼開挖模型網(wǎng)格劃分如圖1。

3.1 在無錨桿支護下6106工作面開挖破壞范圍的仿真模擬

巷道開挖后，由于巷道表面徑向力為零，原來巖體的平衡遭到破壞。巷道頂部的巖體壓力傳遞到兩幫，使巷道兩幫巖體中的鉛垂應(yīng)力增大。由于挖掉部分巖體形成巷道空間結(jié)構(gòu)，地應(yīng)力的邊界條件發(fā)生了變化，條件變成自由邊界條件。重新分布的應(yīng)力失去了傳遞的介質(zhì)，所以只能通過兩幫傳遞。在巷道周邊由于應(yīng)力集中，產(chǎn)生屈服甚至塑性流動[3]。

在無支護的條件下，圍巖破壞的等應(yīng)力圖見圖2。根據(jù)摩爾-庫倫巖石強度判據(jù)可知，頂板的最大破壞區(qū)域為2.0m。兩幫巖層的破壞深度達到1.4m。所以若不及時支護則會導致頂板冒落，兩幫片幫嚴重。根據(jù)錨桿的支護原理，通過錨桿的錨固力可以使破碎的巖石形成一個整體結(jié)構(gòu)，減少了圍巖的位移；提高圍巖的整體承載能力。通過模擬可得錨桿的長度在2.4m左右為最佳長度，幫錨桿的最佳長度為1.8米左右。

3.2 圍巖垂直應(yīng)力分布情況

根據(jù)開挖后巷道圍巖垂直應(yīng)力模擬結(jié)果，圖3無支護下巷道垂直應(yīng)力分布。

從應(yīng)力分布云圖的情況看，由于開挖形成空間后應(yīng)力重新分布，在2.0m范圍內(nèi)為應(yīng)力屈服區(qū)。形成一個圍巖松動區(qū)-應(yīng)力降低區(qū)。在兩幫應(yīng)力降低區(qū)離巷道壁為1.0m且兩幫垂直應(yīng)力呈對稱分布。在兩幫1.0～1.5m左右范圍為彈性應(yīng)力區(qū)。在塑性區(qū)和彈性區(qū)的交界處應(yīng)垂直應(yīng)力達到峰值為11.5MPa，和巖石力學塑性區(qū)的次生應(yīng)力理論推導的趨勢是一致的。

4 支護效果小結(jié)

通過對開切眼巷道在無支護下的情況下，確定了圍巖的破壞范圍，在頂板中部的深度2.0m范圍為降低區(qū)。在水平巷道彈塑性交界面位于1.4m的深度處應(yīng)力增大區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果可知，若不及時支護，容易頂板冒頂，兩幫嚴重片幫。本文通過FLAC3D對張家灣煤礦6號煤層6106工作面，開切眼錨桿支護長度參數(shù)的確定進行了數(shù)值模擬。通過模擬得到頂錨長度至少取2.4m，幫錨桿長度應(yīng)取1.8m。通過現(xiàn)場測試支護效果得到了很大的提高。

【參考文獻】

[1]李通林，譚學術(shù)，劉傳偉.礦山巖體力學[M].重慶：重慶大學出版社，1999.

[2]肖猛，丁德馨，莫勇剛.軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2007（01）.

[3]李忠亮.煤巷圍巖控制與錨網(wǎng)支護技術(shù)的研究[D].內(nèi)蒙古科技大學，2012.

[責任編輯：王偉平]