动压巷道锚注支护数值模拟研究.pdf

第 23 卷 第 1期 2006年 3月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 国家杰出青年基金项目资助 50225414 作者简介 王连国 1964 , 男, 山东省高唐市人, 教授, 博士生导师, 工学博士, 从事力学与采矿方面的研究. Email lgwang cumt. edu. cn Tel 051683885058 文章编号 167333632006 010039 04 动压巷道锚注支护数值模拟研究 王连国, 缪协兴, 董建涛 中国矿业大学 理学院, 江苏 徐州 221008 摘要 锚注支护将锚杆和注浆加固结合在一起, 实现了锚注一体化. 通过注浆将破碎围岩胶结成 整体, 改善围岩的结构及其物理力学性质, 提高了围岩的强度, 真正实现了围岩本身作为支护结 构的一部分, 大大提高了支护结构的承载能力. 本文采用大型有限元数值模拟软件 ANSYS, 对 动压巷道锚注支护前后围岩变形破坏规律进行了数值模拟, 对锚注支护前后围岩的应力、 位移及 塑性区的变化情况等进行了系统分析, 结果表明锚注支护显著提高了围岩的强度和承载能力, 有 效的控制了动压巷道的损伤变形. 关键词 动压巷道; 锚注支护; 数值模拟 中图分类号 TD 353 文献标识码 A Numerical Simulation of BoltGrouting Support in Soft Roadway Affected by Mining WANG Lianguo, MIAO Xiexing, DONG Jiantao College of Sciences, China University of M ining boltgrouting support; numerical simulation 与砌碹、 金属支架等被动支护相比, 锚杆支护 最大的优越性在于能及时主动的支护围岩, 但锚杆 支护的的锚固力很大程度上取决于所锚岩体的力 学性能, 在动压巷道, 围岩的可锚性较差是造成锚 杆锚固力低和失效的重要原因 [ 13] . 锚注支护是利 用锚杆兼做注浆管实现外锚内注的支护方式. 通过 注浆将破碎围岩胶结成整体, 改善围岩的结构及其 物理力学性质, 既提高围岩自身的承载能力, 又为 锚杆提供了可靠的着力基础, 使锚杆对松散围岩的 锚固作用得以发挥, 从而有效地控制住动压巷道的 大变形 [ 4] . 为了对动压巷道锚注支护机理及支护效果有 采矿与安全工程学报第 23 卷 更深刻的认识, 以峰峰集团羊渠河煤矿动压巷道为 背景, 对动压巷道锚注支护进行了数值模拟. 1 数值计算模型 1. 1 模型建立的原则 计算机模拟的可靠性基于模型建立的合理程 度, 合理的模型要以一定的原则为基础. 作为巷道 围岩变形破坏问题, 深部软岩巷道的数值模拟模型 的建立原则如下 1 巷道问题符合平面应变问题, 故建立平面 模型进行模拟; 2 边界初始条件的模拟尽量符合实际情况; 3 为了消除边界效应, 模型应具有足够大的 尺寸, 巷道出于模型中心. 1. 2 数值模拟计算软件的选取 本次数值模拟选用了大型有限元数值模拟软 件 ANSYS[ 56], ANSYS 软件系统是美国 ANSYS 公司 20 世纪 70 年代开始推出的软件系统, 目前已 发展到 8. 0 版本. ANSYS 的功能非常强大, 它融 结构、 热、 流体、 电磁、 耦合分析于一体, 其基本理论 基础是变分原理. 该软件最大的优点在于其强大的 前后处理功能, 构建模型、 输出数据、 绘制图形非常 方便, 其具有完善的数据接口, 可以与其它软件进 行数据转换, 并且可以应用其它编程软件进行二次 开发. 软件提供了 100 种以上的单元类型, 用来模 拟工程中的各种结构和材料. 1. 3 模型建立和计算参数 为了对比动压巷道锚注支护效果, 建立了锚杆 支护巷道和锚注支护巷道两个模型. 巷道跨度 4. 4 m, 高度3. 7m. 应力条件考虑埋深600m, 采动应 力集中系数取 2, 垂直应力和水平应力均为 30 MPa. 注浆后浆液的扩散半径取最小值 1. 5 m. 树脂锚杆规格为20 mm 2 000 mm, 间排距 700 mm 700 mm, 注浆锚杆规格为 22 mm 1 800 mm, 间排距 1 400 mm 1 400 mm. 由于巷道断面和受力对称, 取半个断面分析. 锚杆支护巷道和锚注支护数值计算模型如图 1. 考虑羊渠河煤矿动压巷道具体的工程地质条 件, 各模型的物理力学参数 弹性模量 E, 泊松比 , 粘聚力 C, 内摩擦角 如表 1 所示. 图 1 计算模型 Fig. 1 Calculating model 表 1 锚杆及围岩的物理力学参数 Table 1 Mechanics parameters of bolt and surrounding rock 材料E/ GPaC/ MPa / 锚杆2500. 203. 035 注浆锚杆2000. 212. 834 围岩 锚注支护前1. 60. 252. 326 锚注支护后3. 00. 203. 632 2 数值模拟结果及分析 2. 1 锚杆支护巷道数值模拟结果及分析 锚杆支护数值模拟结果如图 2 所示. 图 2 锚杆支护巷道计算结果 Fig. 2 Calculation results of bolt support roadway 由应力等值线图、 位移等值线图、 塑性区分布 图可以看出 1 巷道开挖引起的岩体深部应力分布的变化 范围为 1. 8 6. 2 m; 2 巷道围岩的应力集中系数为 1. 36; 3 最大顶板下沉量为 85. 0 mm, 底鼓量为 75 mm, 顶底板移近 160 mm, 两帮最大位移量为 144 mm; 40 第 1 期王连国等 动压巷道锚注支护数值模拟研究 4 巷道围岩塑性区范围底角较小, 两帮和顶 底板较大, 顶板为 0. 73 m, 两帮为 1. 5 m, 底板为 1. 5 m. 2. 2 锚注支护巷道数值模拟结果及分析 锚注支护数值模拟结果如图 3 所示. 图 3 锚注支护巷道计算结果 Fig. 3 Calculation results of bolt grouting support roadway 由应力等值线图、 位移等值线图、 塑性区分布 图可以看出 1 巷道开挖引起的岩体深部应力分布的变化 范围为 1. 1 2. 9 m; 2 巷道围岩的应力集中系数为 1. 88; 3 巷道最大顶板下沉量为 43. 8 mm, 底鼓量 为 62 mm, 顶底板移近量为 105. 0 mm, 两帮最大 位移量为 99. 4 mm; 4 巷道围岩塑性区范围两帮和顶板较大, 顶 板为 0. 6 m, 两帮为 1. 0 m, 底板为 0. 44 m. 2. 3 锚注支护巷道与锚杆支护巷道数值模拟结果 对比分析 1 锚注支护巷道应力分布范围明显减小, 减 小幅度为 50 53 . 2 锚注支护巷道应力集中系数明显提高, 提 高幅度为 27. 6 . 3 锚注支护巷道围岩变形量明显减小, 最大 顶板下沉量、 底鼓量、 顶底板移近量、 两帮最大位移 量下降幅度分别为 48. 5, 17. 3, 34. 4 , 31. 4 锚注支护巷道围岩塑性区分布范围明显减 小, 减小幅度分别为顶板 17. 8 , 两帮 33 , 底板 70 . 3 动压巷道锚注支护工程实践 3. 1 试验巷道概况 羊渠河矿 42 轨道暗斜井为一穿层巷道, 巷道 所穿层位主要为灰黑色粉砂岩、 粉砂岩互层, 因巷 道穿过多条断层, 造成巷道围岩破碎, 支护困难. 原 设计为半圆拱形, 净宽 4 m, 净高 3. 2 m, 支护形式 为锚网喷支护, 锚杆规格为 22 mm 1 800 mm, 间排距 600 mm 600 mm; 喷射混凝土标号为 C20, 厚度 150 mm; 网片采用 6 mm 钢筋焊接, 规 格为1 500 mm 800 mm, 网孔 150 mm 150mm, 网片搭接长为 100 mm, 42 轨道暗斜井全长 842 m. 因受下 8252 工作面回采影响, 巷道变形破坏严 重, 规格减小到 3. 4 m 2. 6 m 左右, 局部变形为 1. 2 m 2. 8 m, 虽局部用 U 型钢支架修复, 但巷道 变形破坏依然严重. 为了保证矿井的安全生产, 必 须对该巷道进行修复加固. 3. 2 锚注支护方案 这类巷道的修复加固方案为刷大顶帮后, 布置 普通树脂锚杆, 挂钢丝绳并用托盘压紧, 初喷一层 混凝土, 布置注浆锚杆注浆加固后复喷; 底板卧底 后, 布置底角注浆锚杆注浆加固, 底角锚杆下扎 30 45 , 以利浆液扩散至底板岩层之中. 主要支护技术参数如下 1 普通锚杆 普通锚杆规格为 20 mm 2 000 mm, 一个树脂锚固剂端锚, 锚固力 70 kN. 普通锚杆全断面布置, 间排距 700 mm 700 mm. 2 顶帮注浆锚杆 顶帮注浆锚杆规格为 22 mm 1 800 mm, 封孔采用快硬水泥药卷. 全断面 布置注浆锚杆, 间排距 1 400 mm 1 400 mm. 3 底角注浆锚杆 底角注浆锚杆规格同顶帮 锚杆, 排距 1 400 mm, 下扎角度 30 45. 4 钢筋网 采用 6 mm 钢筋焊结而成. 5 喷射混凝土 强度等级为 C20; 破坏较轻段 初喷仅将破坏面填平, 复喷层厚度 50 mm; 破坏较 重段初喷层厚度 50 mm, 复喷层厚度 50 mm; 全断 面返修段初喷层厚 80 mm, 复喷层厚 70 mm, 配合 比为 1 22. 3. 3 锚注支护效果分析 为了检验羊渠河矿 42轨道暗斜井锚注支护效 41 采矿与安全工程学报第 23 卷 果, 在该巷道布置了两个表面位移观测断面, 共观 测了 6 个月, 锚注支护巷道 2 个观测断面顶底板最 大位移量为 68 mm, 两帮最大位移量为 47 mm, 变 形量很小, 巷道稳定状况良好. 4 结 论 1 以峰峰集团羊渠河煤矿动压巷道 42 轨道 暗斜井为背景, 建立了动压巷道锚注支护数值计算 模型. 2 与锚杆支护相比, 由于锚注支护既注浆加 固了围岩, 又给锚杆提供了可靠的着力基础, 使动 压软岩巷道围岩承载能力得到显著提高, 所以围岩 应力分布范围明显缩小, 减小幅度为 50 53 ; 应力集中系数大幅度提高, 提高幅度为 27. 6 ; 巷 道变形量明显降低, 最大顶板下沉量、 底鼓量、 顶底 板移 近量、 两帮 最大位 移量下 降幅度 分别为 48. 5, 17. 3, 34. 4 , 31; 塑性区范围明显减 小, 减小幅 度为顶板 17. 8, 两帮 33 , 底板 70 . 3 羊渠河矿42 轨道暗斜井锚注支护试验段 6 个月的观测表明 锚注支护巷道顶底板最大位移量 为 68 mm, 两帮最大位移量为 47 mm, 变形量很 小, 巷道稳定状况良好. 数值模拟与工程实践均表明, 锚注支护是一种 非常好的主动支护形式, 可以较好的解决动压软岩 巷道的支护问题. 参考文献 [1] 陆士良, 汤 雷, 杨新安. 锚杆锚固力与锚固技术 [M] . 北京 煤炭工业出版社, 1998. [2] 韩立军, 贺永年. 破裂岩体注浆加锚特性模拟数值试 验研究[ J] . 中国矿业大学学报, 2005, 34 4 418 422. HAN Lijun, HE Yong nian. Numerical experimen tal study on mechanical characteristics of cracked rock mass reinforced by bolting and grouting[ J] . Journal of China University of Mining 在此基础上, 凝炼科学发展目标、 明确主要研究方向和重点、 组织科研队伍、 引进和培养优秀人才、 完善和 提升实验研究平台、 建立 开放、 流动、 联合、 竞争的运行机制. 据悉, 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采 国家重点实验室将由北京、 徐州两地共同建设, 在通过科技部的建设计划可行性论证后, 将被正式批准立 项. 42