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)生變化而引起應力重新分布,引起的應變能。充分發(fā)生位移會釋放大量的應變能。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)材料力學彎曲正應力計算公式得,層合巖梁變成疊合巖梁,這樣彎曲應力就減小了。這樣就使得圍巖應力降低,改善了圍巖的應力狀態(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力增大。由于挖掉部分巖體形成巷道空間結(jié)構(gòu),地應力的邊界條件發(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 圍巖垂直應力分布情況
根據(jù)開挖后巷道圍巖垂直應力模擬結(jié)果,圖3無支護下巷道垂直應力分布。
從應力分布云圖的情況看,由于開挖形成空間后應力重新分布,在2.0m范圍內(nèi)為應力屈服區(qū)。形成一個圍巖松動區(qū)-應力降低區(qū)。在兩幫應力降低區(qū)離巷道壁為1.0m且兩幫垂直應力呈對稱分布。在兩幫1.0~1.5m左右范圍為彈性應力區(qū)。在塑性區(qū)和彈性區(qū)的交界處應垂直應力達到峰值為11.5MPa,和巖石力學塑性區(qū)的次生應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]