孟海東 崔小晉 劉占寧
(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014000)
錨桿支護(hù)可以有效提高礦井圍巖的穩(wěn)定性,為井下作業(yè)提供良好的工作條件,極大減少了頂板坍塌等事故,為煤礦的安全生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。
專家學(xué)者在錨桿支護(hù)方面的研究取得了大量的成果。陳文強(qiáng)等通過理論計(jì)算結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度大小規(guī)律并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,隨著錨桿傾角的增大,錨桿軸向力發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度在降低,橫向剪切力發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度在增大;陳麗俊等建立了鎖腳錨桿—鋼拱架聯(lián)合承載力學(xué)模型,并對(duì)其橫向效應(yīng)和軸向效應(yīng)進(jìn)行分析,討論了打設(shè)角度對(duì)鎖腳錨桿內(nèi)力和變形的影響,分析了不同參數(shù)對(duì)拱頂下沉的影響規(guī)律。
從上述研究成果中可以看出,學(xué)者對(duì)錨桿的材料、結(jié)構(gòu)、長度、間排距和預(yù)緊力做了比較深入的研究,對(duì)圍巖彈性模量和剪切剛度,圍巖塑性區(qū)和彈性區(qū)以及離層圍巖對(duì)錨桿的影響也做了較多的研究,但對(duì)錨桿角度的優(yōu)化以及變化規(guī)律研究的還比較少。為達(dá)到最好的支護(hù)效果,錨桿支護(hù)角度需要也隨煤層傾角的變化而改變,本文將對(duì)不同煤層傾角下頂錨桿的支護(hù)角進(jìn)行研究,希望找出頂錨桿支護(hù)角度變化時(shí),頂板位移、兩幫位移以及底鼓之間的聯(lián)系。
本文選用FLAC3D軟件進(jìn)行模型的建立與支護(hù)模擬研究,以棋盤井煤礦0903回采巷道的地質(zhì)條件為工程背景。0903工作面煤層埋深400 m,煤層厚度約3 m,煤層上部為細(xì)砂巖和泥質(zhì)砂巖,下部為砂質(zhì)泥巖,巷道左側(cè)為實(shí)體煤,右側(cè)為采空區(qū)。模型頂部為自由邊界,側(cè)面和底部施加約束進(jìn)行固定,上覆巖層自重應(yīng)力取10 MPa,采空區(qū)施加的壓應(yīng)力取22 MPa,模型尺寸為50 m×30 m×20 m,巷道尺寸為5 m×3 m(寬×高),模型先加載后開挖,破壞準(zhǔn)則為摩爾—庫倫彈塑性屈服準(zhǔn)則。各巖層巖石力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 各巖層巖石力學(xué)參數(shù)
圖1 錨桿支護(hù)數(shù)值模擬模型
錨桿支護(hù)數(shù)值模擬模型如圖1所示,從下到上依次為砂質(zhì)泥巖、煤、泥質(zhì)砂巖和細(xì)砂巖。
根據(jù)巷道三位一體的原則,頂板、兩幫和底板相互影響,為了達(dá)到最好的支護(hù)效果,頂板、兩幫和底板均進(jìn)行錨桿支護(hù),并且在頂板進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。
本文研究的位移并非基于某個(gè)點(diǎn)的位移值,而是各種位移的最大值,即圍巖表面的位移量,例如Z方向頂板位移的最大值在頂板表面,X方向左幫位移的最大值在左幫表面。
煤層傾角為10°時(shí)頂板和右?guī)臀灰谱兓鐖D2所示。由圖2可知,Z方向頂板位移在90°~100°的錨桿支護(hù)角度區(qū)間呈增長趨勢。頂板位移和右?guī)臀灰茻o相關(guān)性,發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能在于塑性區(qū)和破碎區(qū)比例的變化。
圖2 煤層傾角為10°時(shí)頂板和右?guī)臀灰谱兓?/p>
煤層傾角為10°時(shí)左幫和右?guī)臀灰谱兓鐖D3所示。由圖3可知,左幫位移和右?guī)臀灰凭哂辛己玫姆聪蛲叫浴?/p>
圖3 煤層傾角為10°時(shí)左幫和右?guī)臀灰谱兓?/p>
煤層傾角為10°時(shí)頂板位移和底鼓量變化如圖4所示。由圖4可知,頂板位移和底鼓具有較弱的同步性。
圖4 煤層傾角為10°時(shí)頂板位移和底鼓量變化
煤層傾角/(°)頂板和右?guī)妥髱秃陀規(guī)晚敯搴偷坠?0無關(guān)反向同步同步11無關(guān)無關(guān)反向同步12無關(guān)同步同步13同步反向同步反向同步14反向同步無關(guān)無關(guān)15反向同步反向同步反向同步16同步無關(guān)無關(guān)17同步同步無關(guān)18同步無關(guān)反向同步
圍巖位移規(guī)律總結(jié)見表2。分析表2的結(jié)果可知,煤層傾角為12°~16°時(shí),左幫位移和右?guī)臀灰频耐叫耘c頂板位移和底鼓的同步性相同,也就是說當(dāng)左幫位移和右?guī)臀灰仆皆黾踊驕p小時(shí),頂板位移和底鼓也在同步增加或較小,當(dāng)左幫位移和右?guī)臀灰品聪蛲皆黾踊驕p小時(shí),頂板位移和底鼓也在反向同步增加或較小。
標(biāo)準(zhǔn)差反映一組數(shù)據(jù)的離散程度。位移標(biāo)準(zhǔn)差則反映了頂錨桿支護(hù)角度變化下圍巖的穩(wěn)定程度,標(biāo)準(zhǔn)差越小則代表圍巖越穩(wěn)定。
圖5 不同煤層傾角下位移標(biāo)準(zhǔn)差分布
不同煤層傾角下位移標(biāo)準(zhǔn)差分布如圖5所示。由圖5可知,煤層傾角為10°~18°時(shí),左幫位移標(biāo)準(zhǔn)差和右?guī)臀灰茦?biāo)準(zhǔn)差具有很強(qiáng)的同步性,說明煤層傾角的變化對(duì)兩幫穩(wěn)定性的影響是相同的。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能與塑性區(qū)和彈性區(qū)的比例變化率有關(guān)。煤層傾角為10°~14°時(shí),頂板位移標(biāo)準(zhǔn)差和底鼓標(biāo)準(zhǔn)差具有很強(qiáng)的同步性,說明煤層傾角的變化對(duì)頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相同的,當(dāng)煤層傾角的增加使頂板更加穩(wěn)定時(shí),煤層傾角的增加也會(huì)使底鼓更加穩(wěn)定。煤層傾角為14°~18°時(shí),頂板位移標(biāo)準(zhǔn)差和底鼓標(biāo)準(zhǔn)差具有很強(qiáng)的反向同步性,說明煤層傾角的變化對(duì)頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相反的,當(dāng)煤層傾角的增加使頂板更加穩(wěn)定時(shí),煤層傾角的增加則會(huì)使底鼓更加不穩(wěn)定。
當(dāng)頂板位移最小時(shí),頂板錨桿的支護(hù)角度稱為頂板位移的最佳支護(hù)角。當(dāng)?shù)坠淖钚r(shí),頂板錨桿的支護(hù)角度稱為底鼓的最佳支護(hù)角。當(dāng)左幫位移最小時(shí),頂板錨桿的支護(hù)角度稱為左幫位移的最佳支護(hù)角。當(dāng)右?guī)臀灰谱钚r(shí),頂板錨桿的支護(hù)角度稱為右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角。
不同煤層傾角下位移最小時(shí)的支護(hù)角變化如圖6所示。
圖6 不同煤層傾角下位移最小時(shí)的支護(hù)角變化
由圖6可知,煤層傾角為10°~18°時(shí),頂板位移和底鼓的最佳支護(hù)角具有良好的反向同步性,當(dāng)由于煤層傾角的變化使得頂板位移的最佳支護(hù)角增加時(shí),底鼓的最佳支護(hù)角減??;當(dāng)由于煤層傾角的變化使得頂板位移的最佳支護(hù)角減小時(shí),底鼓的最佳支護(hù)角會(huì)增大。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因與塑性區(qū)和破碎區(qū)的比例有關(guān)。煤層傾角為12°~15°時(shí),左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角具有很強(qiáng)的同步性,當(dāng)由于煤層傾角的變化使左幫位移的最佳支護(hù)角增加時(shí),右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角也會(huì)增加;當(dāng)由于煤層傾角的變化使的左幫位移的最佳支護(hù)角減小時(shí),右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角也會(huì)減小。煤層傾角為10°~12°和15°~18°時(shí),左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角則具有良好的反向同步性,當(dāng)由于煤層傾角的變化使得左幫位移的最佳支護(hù)角增加時(shí),右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角會(huì)減??;當(dāng)由于煤層傾角的變化使得左幫位移的最佳支護(hù)角減小時(shí),右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角會(huì)增大。
不同煤層傾角下總位移最小時(shí)的支護(hù)角見表3。由表3可知,最佳支護(hù)角在91°~93°區(qū)間的煤層傾角有5個(gè),按總位移從小到大排列可知,91°~93°是最佳支護(hù)角出現(xiàn)的最佳區(qū)間。
表3 不同煤層傾角下總位移最小時(shí)的支護(hù)角
本文采用FLAC3D軟件模擬分析不同煤層傾角錨桿支護(hù)圍巖位移相關(guān)性規(guī)律如下:
(1)煤層傾角為10°~18°時(shí),頂板位移和右?guī)臀灰啤⒆髱臀灰坪陀規(guī)臀灰?、頂板位移和底鼓的關(guān)系均比較復(fù)雜,沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。煤層傾角為12°~16°時(shí),左幫位移和右?guī)臀灰频耐叫耘c頂板位移和底鼓的同步性是相同的。
(2)煤層傾角為10°~18°時(shí),煤層傾角的變化對(duì)兩幫穩(wěn)定性的影響是相同的;煤層傾角為10°~14°時(shí),煤層傾角的變化對(duì)頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相同的;煤層傾角為14°~18°時(shí),煤層傾角的變化對(duì)頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相反的。
(3)煤層傾角為10°~18°時(shí),頂板位移和底鼓的最佳支護(hù)角具有良好的反向同步性;煤層傾角為12°~15°時(shí),左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角具有很強(qiáng)的同步性;煤層傾角為10°~12°和15°~18°時(shí),左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角具有良好的反向同步性。
(4)總體而言,煤層傾角為10°~18°時(shí),91°~93°的頂板錨桿支護(hù)角度是最佳支護(hù)角出現(xiàn)的最佳區(qū)間。
[1] 陳文強(qiáng),賈志欣,趙宇飛等. 剪切過程中錨桿的軸向和橫向作用分析 [J]. 巖土力學(xué), 2015(1)
[2] 陳麗俊,張運(yùn)良,馬震岳等. 軟巖隧洞鎖腳錨桿-鋼拱架聯(lián)合承載分析 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015(1)