巷道頂板錨索破斷機理模擬分析

李 濤

(潞安礦業(yè)集團公司 總調(diào)度室，山西 長治 046204)

錨桿錨索支護是一種主動加固圍巖的支護手段，能夠有效發(fā)揮圍巖自身的支撐作用，對礦山安全高效生產(chǎn)具有重要意義。隨著煤礦開采深度不斷增加，高地應(yīng)力作用直接加劇了巷道圍巖的變形，導(dǎo)致錨索作用下的巷道圍巖支護結(jié)構(gòu)荷載大，加上現(xiàn)代機械化采煤活動劇烈，導(dǎo)致巷道支護中的錨索變形趨于極限值，錨索破斷失效等問題愈發(fā)突出，圍巖穩(wěn)定性的控制難度也不斷增大。為了確保錨索支護作用下巷道的穩(wěn)定性，開展巷道頂板錨索破斷機理研究，分析在高應(yīng)力作用下錨索的損傷效應(yīng)，具有重要意義。本文以王莊煤礦91采區(qū)某工作面為例，對其進行分析。工作面主采二疊系3號煤層，煤層均厚6.5 m，采用綜采放頂煤開采工藝，煤層直接頂為泥巖，厚度為2.54 m，基本頂為3.1 m厚的細(xì)砂巖，直接底為0.88 m的泥巖，基本底為2.15 m的細(xì)砂巖。

1 巷道頂板錨索破斷形式

巷道開掘后，巷道圍巖應(yīng)力平衡遭到破壞，圍巖內(nèi)積聚的彈性變形能量得以釋放，從而造成巷道圍巖發(fā)生變形，對于回采工作面巷道來說，圍巖頂板、幫體均為煤體，煤層巖性較軟，致使巷道圍巖變形更為劇烈，而劇烈的地層壓力下，巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)更為突出。隨著巷道掘進的不斷延伸，巷道圍巖變形由淺向深、由快向慢長期發(fā)展，巖性越軟，巷道變形周期越長，變形范圍越大。而錨索支護屬于剛性支護，剛性支護特征與圍巖變形特征呈現(xiàn)相互制約作用，而劇烈采掘活動對巷道造成強烈干擾情況下，巷道圍巖常常會發(fā)生劇烈變形，致使錨索在此過程中發(fā)生相應(yīng)變形，如果超過剛性支護極限，甚至?xí)a(chǎn)生斷裂，失去支護效應(yīng)。在此過程中，錨索主要會產(chǎn)生法向的剪切破壞和軸向的受拉破斷兩種形式，即錨索周圍錨固體沿錨索切向變形引起的剪切力大于錨索所能承受的極限抗剪強度，以及錨索軸向受力大于錨索原有的預(yù)緊力，錨索就會發(fā)生剪切破壞和斷裂失效。

2 數(shù)值模型建立

本文基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，依據(jù)試驗巷道鉆孔資料和地質(zhì)柱狀圖資料建立三維數(shù)值模型。本模型中，垂直應(yīng)力施加于模型的頂部，大小為11.25 MPa，水平應(yīng)力施加于模型的四周，大小同垂直應(yīng)力保持一致。邊界條件設(shè)定為：模型的四周邊界為單約束邊界，即X和Y方向的水平位移為0，模型的下部邊界為單約束邊界(只固定Z方向)，模型上部邊界為自由邊界。數(shù)值模型如圖1(a)所示。本次模擬本構(gòu)關(guān)系選擇摩爾-庫倫準(zhǔn)則，計算時，先根據(jù)模型的幾何尺寸劃分計算網(wǎng)格，并賦予相應(yīng)巖層巖體力學(xué)參數(shù)，計算原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，然后對巷道進行開挖并施加支護，支護同現(xiàn)場保持一致，模擬時采用Cable單元模擬錨桿錨索，由于軟件自身的特點，錨索破斷功能不能直接實現(xiàn)，因此，采用軟件內(nèi)置FISH語言進行編程，監(jiān)測錨索長度變化，當(dāng)其變形程度超過錨索最大延伸長度時，視為支護體出現(xiàn)失效，模型支護如圖1(b)所示。

圖1 錨索支護三維數(shù)值模型

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

巷道圍巖應(yīng)力分布云圖如圖2～圖4所示，巷道開挖后，圍巖垂直、水平及剪切應(yīng)力基本表現(xiàn)出對稱分布的特點。從圖2(a)可以看出，巷道掘進穩(wěn)定后，巷道圍巖產(chǎn)生一定范圍的破壞，在巷道頂?shù)装逄幘霈F(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力值最大約為0.151 MPa，巷道應(yīng)力集中出現(xiàn)在巷道兩幫側(cè)，垂直應(yīng)力值最大約為15.1 MPa，掘進期間巷道垂直應(yīng)力集中程度較小，支護難度不大；從圖3(a)可以看出，水平應(yīng)力降低區(qū)主要集中分布在巷道底板處，應(yīng)力值最大約為0.138 MPa；從圖4(a)可以看出，巷道開挖后，剪應(yīng)力成對出現(xiàn)，相鄰兩個剪應(yīng)力方向相反，主要出現(xiàn)在巷道的四個尖角處，頂板尖角處的剪應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷道，底板尖角處剪應(yīng)力集中區(qū)距離巷道較近，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在底板尖角處，對應(yīng)值約為3.65 MPa。

隨著工作面的回采，采場周圍的巖體應(yīng)力分布發(fā)生變化，圍巖應(yīng)力的動態(tài)變化導(dǎo)致采場圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)與降低區(qū)，從而引起采場附近的巷道圍巖發(fā)生不同程度的應(yīng)力再分布，巷道圍巖承受較大的支承壓力。由圖2(b)～圖4(b)可知，工作面回采后，圍巖應(yīng)力基本表現(xiàn)出對稱分布的特點。從垂直應(yīng)力分布云圖可以看出，受工作面采動擾動影響，圍巖垂直應(yīng)力集中區(qū)向巷道圍巖淺部轉(zhuǎn)移，最大垂直應(yīng)力值為26.72 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.375；與掘巷期間相比，采動影響后圍巖垂直應(yīng)力上升更加明顯，破壞更劇烈，高應(yīng)力狀態(tài)給圍巖穩(wěn)定性控制帶來一定難度。于此同時，在工作面回采期間，剪應(yīng)力成對出現(xiàn)，相鄰兩個剪應(yīng)力方向相反，主要出現(xiàn)在巷道的四個尖角處，頂板尖角處的剪應(yīng)力集中區(qū)向巷道側(cè)移近較為明顯，最大剪應(yīng)力達(dá)到約4.89 MPa，較巷道掘進期間，剪應(yīng)力峰值增加幅度高大33.97%。

圖2 圍巖垂直應(yīng)力云

圖3 圍巖水平應(yīng)力云

圖4 圍巖剪切應(yīng)力云

3.2 錨索受力分析

巷道開挖后，頂板錨索受力監(jiān)測變化曲線，見圖5。在初始階段，圍巖變形能釋放，變形增長較快，錨索受力曲線呈現(xiàn)快速增長，達(dá)到234 kN；當(dāng)圍巖變形趨于穩(wěn)定時，錨索受力增速放緩，最終趨于穩(wěn)定，掘巷穩(wěn)定后，在3-2-3錨索布置中，錨索受力由大到小依次是三根錨索中里側(cè)錨索、兩根布置錨索、三根錨索外側(cè)兩根錨索。錨索最大受力值分別為242 kN、241.2 kN、239.2 kN，這是由于在掘巷階段，頂板下沉一般呈現(xiàn)出巷道中部較大而兩側(cè)較小的弧形分布。在掘巷期間，錨索受力最大值都未達(dá)到其屈服極限及破斷載荷，說明原有支護基本可以滿足巷道掘巷期間的支護要求。

隨著工作面的回采，巷道圍巖受到較大的回采動壓影響，支護體受力隨著圍巖離層變形的增大出現(xiàn)快速增長，并相繼達(dá)到錨索破斷載荷，同時桿體伸長量超過其最大延伸率，支護體出現(xiàn)破斷并且受力降為零，見圖6。回采期間巷道頂板非采動側(cè)最外側(cè)錨索最先出現(xiàn)破斷，之后中部錨索出現(xiàn)破斷，頂板采動側(cè)錨索最后出現(xiàn)破斷。可以看出，在工作面動壓影響下，雖然巷道頂板采動側(cè)圍巖下沉量大于非采動側(cè)，但是其主要變形來自巖層的整體下沉，錨索支護范圍巖層的離層值由巷道淺部圍巖及其深部圍巖位移差所決定。

圖5 掘巷期間錨索受力

圖6 錨索全過程受力曲線

4 結(jié) 語

1) 錨索破斷前巷道圍巖的應(yīng)力降低區(qū)主要集中分布在頂?shù)装逡约跋锏纼蓭吞帲c掘巷期間相比，采動影響后圍巖水平和垂直應(yīng)力增加明顯，同時水平應(yīng)力降低區(qū)出現(xiàn)向巷道圍巖深部擴展貫通的現(xiàn)象，而垂直應(yīng)力更為集中，并且向巷道圍巖淺部轉(zhuǎn)移，破壞更劇烈，高應(yīng)力狀態(tài)給圍巖穩(wěn)定性控制帶來一定難度。

2) 在巷道支護實踐中，應(yīng)當(dāng)注重并及時監(jiān)測頂板離層量的變化。而原有巷道支護方案僅能滿足巷道掘進過程中的支護需要，在工作面采動后，支護體可能因為較低的延伸率而破斷失效，因此提高原支護方案中錨索延伸率成為控制圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。