巷道交岔点的数值模拟分析与支护.pdf

第2 5 卷第4 期采矿与安全工程学报V 0 1 ．2 5N o ．4 2 0 0 8 年1 2 月 J o u r n a lo fM i n i n g S a f e t yE n g i n e e r i n g D e e ．2 0 0 8 文章编号1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 8 0 4 0 3 8 4 0 5 巷道交岔点的数值模拟分析与支护 王成，张 农，李桂臣陈金宇 中国矿业大学矿业工程学院，煤炭资源与安全开采国家重点实验室。江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要为了解决巷道交岔点处的围岩松散破碎引起的应力分布复杂难以支护的问题，本文采用 F I 。A C 3 D 数值模拟软件对巷道交岔点处加固补强前后的应力分布状态进行了模拟．通过对比分 析，加固补强后重新胶结破碎的围岩强度得到了提高，已能承载部分上覆岩层的重量，能有效的 阻止应力集中区向围岩深部转移，防止了塑性区的进一步扩大。据此制定了对巷道交岔点处破碎 围岩采取浅孔与深孔超前预注浆进行加固，提高围岩强度，进一步安装顶板三维锚索和帮部预应 力桁架补强支护的方案，并给出具体的加固补强的支护参数，实践中取得非常良好的效果，研究 结果表明，该支护方式在类似复杂条件下的巷道交岔点应用中具有较大的推广价值． 关键词交岔点；数值模拟；应力分布；三维锚索；预应力桁架 中图分类号T D3 5 3文献标识码A N u m e r i c a lS i m u l a t i o na n dS u p p o r to fR o a d w a yI n t e r s e c t i o n W A N GC h e n g ，Z H A N GN o n g ，L IG u i c h e n ，C H E NJ i n y u S c h o o lo fM i n e s ，S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e sa n dM i n eS a f e t y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t A i ma tt h ep r o b l e mo fc o m p l e xi ns t r e s sd i s t r i b u t i o na n dh a r dt os u p p o r ta tr o a d w a y i n t e r s e c t i o nc a u s e db yb r o k e ns u r r o u n d i n gr o c k s ，w es i m u l a t e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o na tr o a d w a yi n t e r s e c t i o nb e f o r ea n da f t e rb e i n gr e i n f o r c e db yu s i n gt h es o f t w a r eF L A C 3 0 ．A f t e rr e i n f o r c e m e n t ，t h es t r e n g t ho ft h er e - c e m e n t e dw e a ks u r r o u n d i n gr o c k sw a se n h a n c e d ，c a p a b l eo f b e a r i n gt h eo v e r b u r d e nl o a da n dp r e v e n t i n gt h es t r e s sf r o mt r a n s f e r r i n gt Od e e pa r e aa n dp r e - v e n t i n gt h ep l a s t i ca r e af r o mf u r t h e re n l a r g i n g ．O nt h eb a s i so ft h i s ，w em a d ear e i n f o r c i n g p l a ni nw h i c hb o t hs h a l l o wa n dd e e pb o r e h o l e si nb r o k e ns u r r o u n d i n gr o c k sa tr o a d w a yi n t e r s e c t i o nw e r eu s e df o rg r o u t i n ga n d3 Da n c h o rc a b l e sw e r ei n s t a l l e do nr o o fa n dp r e s t r e s s e d t r u s si n s t a l l e do nt w os i d e s ．I na d d i t i o n ，r e i n f o r c e ds u p p o r tp a r a m e t e r sw e r eg i v e n ． K e yw o r d s r o a d w a yi n t e r s e c t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t r e s sd i s t r i b u t i o n ；3 Da n c h o r - c a b l e ； p r e s t r e s st r u s s 巷道交岔点是指矿井中巷道交会或分岔处的 一段巷道，该处因受两条或多条相交巷道的影响， 围岩松软破碎，巷道跨度和顶板悬露面积大，加上 交岔点附近巷道围岩应力变化的叠加影响，使交岔 点处围岩应力复杂．特别是位于松软破碎、原岩应 力高、膨胀性软岩或深部巷道交岔点时，支护将更 加困难．单一的U 型钢架棚支护或锚网支护都难 以满足巷道支护的要求．因此，巷道交岔点是井下 施工和巷道支护的一个困难地段⋯． 1 地质概况 为了有效解决巷道交岔点的支护，首先要了解 收稿日期2 0 0 8 0 1 一0 9 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 6 7 4 0 8 5 作者简介王成 1 9 8 4 一 ．男。安徽省含山县人。博士，从事巷道支护方面的研究 E - m a i l w a n g c h e n g c u m t 1 6 3 ．c o r n T e l 1 3 8 1 5 3 1 9 9 2 6 万方数据 第4 期王成等巷道交岔点的数值模拟分析与支护 3 8 5 巷道交岔点处的应力分布，确定应力集中部位，据 此制定出有针对性的支护方案，下面举例说明． 某矿南翼回风大巷与轨道大巷之间斜接一采 区变电所，如图1 所示． 图1南翼大巷与变电所相对位置 F i g ．1 T h el o c a t i o no ft h es o u t hr o a d w a y a n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n 轨巷与风巷间距约4 5m ，变电所和大巷之间 并不平行，变电所离轨道大巷最远距离为1 7m ，最 小为1 1m ，变电所距离轨道大巷总体上较近，所以 实验点选在变电所过道和轨道大巷斜交处，夹角为 4 5 。．南翼大巷距地表约5 2 0m ，围岩以粉砂岩为 主．顶底板岩性情况如图2 所示． 岩层名称柱状厚度／m岩性特征 浅灰色厚层状，含岩屑及绿色矿物， 细砂岩 蕤 2 ．3 钙质胶结，分选中等，磨圆度好，裂 隙较为发育，，26 ‘8 灰黑色厚层状，含植物化石碎片， 泥岩 7 。l ‘ 0 9 裂隙较为发育，／一3 5 棕灰色成分以石英为主，钙质胶结， l ，7含少量植物化石碎片，显斜坡层理， 裂隙发育，，一6 - 8 深灰色，致密块状，含碳质和植物 20 8 化石，／ 3 ～5 38 7 黑色，块状和粉状，光亮型。玻璃 光泽，， 】3 - 22 07 5 深灰一灰黑色，致密块状，含碳质和 植物化石，／ 3 - 5 深灰色，水平层理，含植物化石碎片， ‘＼ 6 ．5 裂隙较为发育，／～6 - - 8 粉砂岩 | 。 泥岩 1 ．| l 1 0 煤 ＼ 1 61 2840481 21 6 ￡／1 0 ‘3 图6 粉砂岩试块及破裂后固结体的 单轴全应力一应变曲线 F i g ．6S i n g l ed i m e n s i o n a ls t r e s s s t r a i nc u r v e o fs a n d s t o n ea n di t sc o n c r e t i o n 兰 ／。、_ 一。 f5 0 鬣粉砂岩固结体＼ 2 5 2 01 51 050481 21 6 ￡／l 舻 图7 粉砂岩试块及破裂后固结体的 三轴会应力一应变曲线 F i g ．7 T r i d i m e n s i o n a ls t r e s s s t r a i nc u r v e o fs a n d s t o n ea n di t sc o n c r e t i o n 由图可知粉砂岩试块单轴和三轴强度分别为 5 8M P a 和6 4M P a 左右．粉砂岩试块破碎后在注 浆水泥的作用下重新固结，其单轴的应力强度并无 明显的升高，但是三轴应力强度最大达到4 0M P a ， 比破碎岩体的承载性能强得多． 巷道交岔点围岩以粉砂岩为主，根据围岩的上 述特征和数值模拟结果分析，特提出以下支护方 案 1 在原有U 型棚支护基础上，对交岔点的破 碎围岩进行浅孔和深孔交替注浆．先用浅孑L 注水泥 浆，在浅部破碎围岩形成一个封闭墙，防止注深孔 马丽散 化学浆 时由于注浆压力过大出现跑浆现 象．这样可将破碎围岩胶结成一整体，提高顶板围 岩的黏聚力C 和内摩擦角妒值。 2 在交岔点处5 0m 范围的顶板架设三维锚 索装置 图8 ，锚索的支护机理是在围岩表面主 动形成一个三维受压体系，增加了表面整体应力强 度，使围岩共同形成厚层组合拱结构． 图8 三维锚索的布置方式 F i g ．8C o n f i g u r a t i o no f3 Da n c h o r - c a b l e 万方数据 第4 期 王 成等巷道交岔点的数值模拟分析与支护3 8 7 锚索采用国标 G B ／T 5 2 2 4 1 3 9 5 中的l 7 ， 18 6 0M P a 强度级别的标准型钢绞线，其有关参数 见表2 所示‘8 | ． 表2 锚索参数 T a b l e2M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fc a b l e 3 在交岔点处两帮5 01 T I 范围内安装帮部走 向预应力桁架，专用张拉机具通过桁架连接器将高 强度的预应力钢绞线锁紧。并传递张拉力，使围岩 应力状态由二维向三维逐级转化． 4 ．2 支护参数 在原有U 型棚支护基础上，根据支护方案和 数值模拟，得出加固补强支护参数． 1 浅孔超前预注浆． 每隔3 排U 型棚在交岔点处巷道断面 棚距 6 0 0m m 均匀布置7 根1 ．0i n 注浆锚杆，注水泥浆 胶结破碎围岩，在浅部破碎围岩形成一个封闭墙， 为深孔注浆加固创造条件．注浆压力一般不超过 1 ．0M P a ，注浆量以不发生大量跑浆为准． 2 深孔超前预注浆． 在浅孔注浆的基础上，再对破碎围岩采用深孔 注马丽散进行加固．注浆锚杆长4 ．0m ，由4 分钢 管制成，钢管底端砸成扁状；钢管1m 长度后十字 错开钻孔，孔径由大逐渐变小，前端孔径巾一8 m m ，后端孑L 径夺 4m m ；封孔可采用空心水泥卷 或树脂药卷密实，封孔深度为1 ．0m ；注浆锚杆排 距1 ．8m ；注浆最大压力为2 ．5M P a ．其他参数如 图9 所示． 图9 注浆锚杆布置 r a m F i g ．9 L a y o u to fg r o u t e db o l t 3 三维锚索选择达到G B ／T 5 2 2 4 1 3 9 5 标 准、高强度低松弛1m m 7m m 1 7 ．8m m 预应 力钢绞线组成锚索，锚索长度为7 ．8I l l ，每根锚索 采用一节K 2 5 5 0 快速树脂药卷和3 节Z 2 5 5 0 中速 树脂药卷．锚索步距1 ．2r n ，沿巷道顶板中轴线单 排布置．每根锚索外露0 ．8m ，分成4 股，分别与同 排的两根锚索和前后相邻的两锚索用夺6m m 4 m m 圆柱型4 孔双向对拉锁具锁紧． 4 帮部预应力桁架沿巷道走向每3 排U 型 棚在距离巷道底板0 ．4I T I 和1 ．4r n 处分别架设一 排预应力桁架，每排预应力桁架采用两根夺1 7 ．8 m m 58 0 0m m 钢绞线1 ．6m 长2 4 。轻型槽钢 两 眼孔，问距1 ．4m 组成；钻孔角度向顶 底 板倾斜 3 0 。，钻孔深度4 ．5I T I ；钢绞线外露1 ．3m ，用连接器 连接，每孑L 采用1 节K 2 5 5 0 快速树脂药卷和3 节 Z 2 5 5 0 中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果； 预紧力6 0 ～7 0k N ． 交岔点处巷道经过顶板三维锚索和帮部桁架 对巷道闱岩强化以后，交岔点处于较高的i 向应力 状态，支护体的承载性能得到有效发挥，巷道的维 护状况有了很大改善． 5结果分析 交岔点实验期间，在原有支护 即U 型棚支 护 和加固的巷道试验段设置了测站，主要观测顶 底和两帮移近量，共进行了为期两个月的观测，每 隔5d 一次． ． 单一U 型棚支护围岩变形曲线如图1 0 所示， 两帮移近量一直不断地增长，在6 0d 之后基本趋 于稳定，最大达到了6 0 0m m ，顶底移近量约2 0 0 萋 囊 蝴 潍 图1 0 单一U 型棚支护围岩变形曲线 F i g ．1 0 D i s t o r t i o nc u r v e so fs u r r o u n d i n gr o c k o fr o a d w a ys u p p o r t e db yU S t e e l 交岔点经过超前预注浆加固、三维锚索和预应 力桁架补强之后，两帮移近在3 5d 之后就已经趋 于稳定，移近量约为1 5 5m m ；顶底移近量为4 0 m m 左右 图1 1 ．可见采用加强支护方案对巷道 围岩控制取得了良好的效果，与数值模拟结果相 符． 万方数据 3 8 8 采矿与安全工程学报 第2 5 卷 时间／d 图I I巷道加固围岩变形曲线 F i g ．11 D i s t o r t i o nc u r v e so fs u r r o u n d i n gr o c k o fr o a d w a ya f t e rs t r e n g t h e n i n g 6 结论 1 应力状态复杂、难支护的巷道不能单纯依 靠单一的支护方式，应采用多种支护方式联合控制 巷道围岩，最大限度地调动和充分发挥巷道围岩的 自身承载能力． 2 围岩应力值是不能改变的，但支护状况的 改善可使围岩内高应力发生转移，位于应力集中区 的巷道维护可通过转移应力集中部位和加强支护 来共同实现． 3 超前预注浆能使破碎围岩重新胶结成一整 体，固结体虽比原岩强度要低，但是比破碎岩体承 载性能要强得多，还可为其它支护形式提供载体． 4 三维锚索和预应力桁架将支护体及顶帮岩 体三者有机结合起来，形成整体的承载结构，并将 浅部承载结构与深部稳定岩层耦合在一起，增强了． 支护体的稳定性． 5 我国有许多位于松软破碎、原岩应力高、膨 胀性软岩或深部巷道交岔点，成功应用了超前预注 浆加固、顶板三维锚索和帮部预应力桁架补强，能 有效控制巷道围岩变形，确保巷道安全可靠，表明 了该支护技术在类似复杂条件的交岔点支护方面 有较大的推广价值． 参考文献 [ 1 ]陈炎光，陆士良．中国煤矿巷道围岩控制[ M ] ．徐州 中国矿业大学出版社，1 9 9 4 ． [ 2 ] I t a s c aC o n s u l t i n gG r o u p ，I n s ．F L A C ”V e r s i o n2 ．0 [ M ] ．2 0 0 0 ． [ 3 ] 谢文兵，史振凡，殷少举．近距离跨采对巷道围岩稳 定性影响分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 4 ，2 3 1 2 1 9 8 6 - 1 9 9 1 ． X I EW e n b i n g ，S H IZ h e n - f a n ，Y I NS h a o - j u ．S t a b i l i t ya n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c km a s s e so fr o a d w a y u n d e ro v e r h e a dm i n i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，2 3 1 2 1 9 8 6 1 9 9 1 ． [ 4 ] 高明仕，张农，郭春生，等．三维锚索与巷帮卸压组 合支护技术原理及工程实践[ J ] ．岩土工程学报， 2 0 0 5 ，2 7 5 5 8 7 5 9 0 ． G A O M i n g s h i ，Z H A N GN o n g 。G U OC h u n - s h e n g ． e ta 1 ．M e c h a n i c sa n dp r a c t i c eo fc o m b i n e ds u p p o r t i n g t e c h n o l o g yo f3 Da n c h o r 。c a b l ea n du n l o a d i n gt e c h n o l - o g yo f w a l l o fr o a d w a y [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f G e o t e e h n i c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，2 7 5 5 8 7 5 9 0 ． [ 5 ] 李桂臣，张农，刘召辉，等．煤巷预应力桁架锚杆支 护技术[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 0 7 ，2 4 2 1 5 0 1 5 4 ． L 1G u i c h e n ，Z H A N GN o n g ，L I UZ h a o - h u i ，e ta 1 ． P r e s t r e s st r u s sb o l ts u p p o r tt e c h n o l o g yf o rc o a lr o a d w a y [ J ] ．J o u r n a lo fM i n i n g S a f e t yE n g i n e e r i n g ． 2 0 0 7 ，2 4 2 1 5 0 1 5 4 ． [ 6 ] 赵洪亮。姚精明，何富连，等．大断面煤巷预应力桁架 锚索的理论与实践[ J ] ．煤炭学报。2 0 0 7 ，3 2 5 1 0 6 1 1 0 6 5 ． Z H A 0H o n g l i a n g ，Y A oJ i n g m i n g ，H EF u l i a n ．e t a 1 ．A p p l i c a t i o no fp r e s t r e s st r u s sc a b l ei nl a r g ec r o s s s e c t i o nc o a lr o a d w a y [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 0 7 ．3 2 5 1 0 6 1 1 0 6 5 ． [ 7 ]张农．巷道滞后注浆围岩控制理论与实践[ M ] ．徐 州中国矿业大学出版社，2 0 0 4 ． [ 8 ] 郑百生．近距离跨采巷道围岩控制技术及其三维数 值模拟[ D ] ．徐州中国矿业大学矿业工程学院， 2 0 0 5 ． 万方数据