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第 25 卷 第 1 期 岩石力学与工程学报 Vol.25 No.1 2006 年 1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2006 收稿日期收稿日期2004–10–25；修回日期修回日期2005–04–11 基金项目基金项目国家自然科学基金重大项目50490270；国家杰出青年科学基金资助项目50225414；国家自然科学基金资助项目50374065 作者简介作者简介 王继承1966–， 男， 1988 年毕业于山东科技大学采矿工程专业， 现为博士研究生， 主要从事采矿科学技术与工程方面的研究工作。 E-mail xbmao。 综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形分析与控制综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形分析与控制 王继承，茅献彪，朱庆华，朱川曲 中国矿业大学 理学院，江苏 徐州 221008 摘要摘要实现综放大断面沿空留巷，对综放开采技术的发展具有十分重要的意义，但综放大断面沿空留巷围岩稳定 性控制是一项技术性难题，其支护必定要经受大变形的考验，可能会影响到传统锚杆支护中的锚杆受力状态的改 变。应用结构分析软件 ANSYS 对综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形特征进行了数值模拟，着重研究了锚杆的剪切 力随老顶回转角度和锚杆布置倾角的变化规律。研究结果表明，采用传统设计的综放大断面沿空留巷顶板锚杆在 大变形情况下将发生显著剪切变形，甚至会被剪断，但如果适当调整锚杆支护设计方案，即适当调整顶板锚杆的 倾角，就可以显著降低顶板锚杆所承受的剪切力，其效果得到物理模拟试验和井下工业性试验的验证。 关键词关键词采矿工程；综放沿空留巷；锚杆支护；锚杆剪切变形；数值模拟；物理模拟；工业性试验 中图分类号中图分类号TD 82 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200601–0034–06 ANALYSIS OF SHEARING DEATION OF ROOF SUPPORT BOLT AND ITS CONTROL IN GOB-SIDE ENTRY RETAINING OF FULLY-MECHANIZED CAVING FACE WANG Ji-cheng，MAO Xian-biao，ZHU Qing-hua，ZHU Chuan-qu School of Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China AbstractIt is an important significance in the technique development of fully-mechanized caving faceFCF to develop the large-section gob-side entry retaining in FCF，but the stability control of surrounding rock of large-section gob-side entry retaining in FCF becomes a technically difficult problem；and its support ways will endure the test of large deation，which probably has an influence on the stress state of bolt in traditional bolt supporting. The software ANSYS is applied to simulate the shearing deation characters of bolt through roof in gob-side entry retaining and the rule that shear stress of the bolt changes with turning angle of main roof and obliquity of the bolt distribution is noted. The result indicates that the roof support bolt has obvious shearing deation in the course of huge deation or even shearing fracture if the traditional designed large-section gob-side entry retaining in FCF is adopted. If the design scheme of bolt supporting is adjusted properly，i. e.，the inclination of roof support bolt is adjusted properly，the shearing force that the bolt is supported will reduce obviously，whose effect has been verified by the physical simulation and the underground industrial test. Key wordsmining engineering；gob-side entry retaining of fully-mechanized caving face；bolt supporting； shearing deation of bolt；numerical simulation；physical simulation；industrial test 第 25 卷 第 1 期 王继承等. 综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形分析与控制 35 1 引引 言言 综放沿空留巷技术[1 ～4]是采用 Y 型通风方式解 决高产高效综放工作面瓦斯积聚与超限的关键技术 之一，同时还具有实现往复式开采、消除弧岛工作 面以及提高煤炭回收率等优点。全煤巷道锚网支护 技术[5 ～9]的迅速发展是实施综放沿空留巷技术的重 要前提。然而，由于综放沿空留巷断面大，顶板为 煤层，再加综放工作面一次采出的煤层厚度大，综 放沿空留巷围岩必定要承受剧烈的大变形作用，尤 其是巷道顶板会更加严重[10]。由此可见，综放沿空 留巷锚杆支护的受力状况会呈现出新的特征。本文 采用数值模拟的方法分析综放沿空留巷顶板锚杆的 剪切变形机制，并为锚杆支护设计提供了消除锚杆 产生剪切变形的方案。这些数值模拟的结论得到了 物理模拟试验和实践的验证。 2 综放沿空留巷矿压与数值计算模型综放沿空留巷矿压与数值计算模型 图 1 为综放沿空留巷的矿压模型，图中黑色部 分为煤层， 巷道左侧巷帮即为充填体。 如图 1 所示， 一般情况下，煤层上方为直接顶，直接顶上方为老 顶。由于老顶岩层受采空区一侧矿压影响而发生超 前断裂，从平面图中则显示为破断岩块，此破断岩 块会发生向采空区一侧的转动变形，其转角为，α 则巷道顶板也要受此转动变形的影响，发生向采空 区一侧的倾斜。 图 1 综放沿空巷道的矿压模型 Fig.1 Strata model of gob-side entry of fully-mechanized caving face 图2为与图1对应的综放沿空留巷顶板锚杆剪 切变形数值计算模型。模型水平方向长41.5 m，垂 直方向高26.2 m，共划分11 524个平面四节点单元 岩体部分和51个具有轴力的梁单元锚杆部分。 图 2 锚杆剪切变形数值计算模型 Fig.2 Numerical model on shearing deation of bolt 锚杆与岩体间的力与变形等通过节点传递，以 近似模拟锚杆与被锚固岩体间的相互作用。假设材 料具有弹塑性增强行为，塑性区弹性模量取相应弹 性区的1，综放沿空留巷围岩的计算参数如表1 所示。 表 1 综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形数值计算参数 Table 1 Numerical parameters on shearing deation of roof support bolt of gob-side entry retaining in FCF 岩层名称 岩层高度/m 弹性模量 E/GPa 泊松比ν 底板 10.0 30 0.30 开挖煤层 3.0 2 0.30 顶煤 3.0 2 0.30 直接顶 1.70.5 10/8 0.30 老顶 8.0 30 0.30 充填体 3.0 5 0.30 锚杆 2.5 210 0.25 注表中直接顶由泥岩1.7 m和顶煤0.5 m组成。 模型的边界条件为全部左侧和底板右侧固定 水平位移，老顶右侧为水平柔性约束，底板岩层下 表面固定竖向位移，老顶岩层无回转部分上表面给 定均布压力，老顶岩块转动部分上表面按转角给定 有限位移。 沿空留巷后的巷道原始断面宽4.5 m， 高 2.8 m。 模拟方案分为2组第1组，巷道顶部3根锚 杆分别垂直安装在顶板中间和左、右距巷道两帮各 为1 m处，模拟随老顶岩块转角α变化时其锚杆内 的剪力变化；第2组，巷道顶部3根锚杆也分别安 装在顶板中间和左、右距巷道两帮各为1 m处，但 除中部锚杆垂直安装外，还分别变化左、右锚杆的 倾角，再模拟随老顶岩块转角α变化时锚杆内的剪 力变化。另外，对有关数值模拟问题作如下说明 老顶 巷道 直接顶 老顶岩块 α 36 岩石力学与工程学报 2006年 1 由图1的矿压模型可知，图2的数值计算 模型属于大转动小应变形式的大变形问题，因而可 以选用ANSYS数值计算软件，对老顶岩块分步施 加位移边界条件的方式完成大变形问题的数值模 拟。 2 根据煤系岩层的强度和放顶煤开采时顶部 锚杆多为作用在顶部煤体范围内的实际情况，数值 模拟时仅考虑其锚固围岩可能进入塑性状态，而锚 杆及其余岩体都为弹性体。 3 锚杆与岩体间的相互作用由两者的单元节 点来传递，这种处理方法带来的误差将随单元的细 化而减小。 4 由于模型材料的自重相对于上部施加的载 荷很小，因而略去了其自重的影响。 3 顶板锚杆剪切变形的数值模拟顶板锚杆剪切变形的数值模拟 在第1组数值模拟方案中，模拟计算了老顶岩 块转角α分别为2 ，4 ，6 ，8 ，10 和12 时3根 锚杆上的剪力变化规律。图3～5分别为老顶岩块转 角α为2 ，8 和12 时3根锚杆上的剪力分布规律。 表2给出了3根锚杆上的最大剪力Qmax和最大剪应 a 左锚杆 b 中锚杆 c 右锚杆 图 3 老顶岩块转角α 为 2 时 3 根锚杆上的剪力分布单位N Fig.3 Shearing stress distribution of three bolts while the rock turn angle α is 2 in main roofunitN a 左锚杆 b 中锚杆 c 右锚杆 图 4 老顶岩块转角α 为 8 时 3 根锚杆上的剪力分布单位N Fig.4 Shearing stress distribution of three bolts while the rock turn angle α is 8 in main roofunitN a 左锚杆 b 中锚杆 c 右锚杆 图 5 老顶岩块转角α 为 12 时 3 根锚杆上的剪力分布单位N Fig.5 Shearing stress distribution of three bolts while the rock turn angle α is 12 in main roofunitN －373.993 －259.332 －144.671 －30.01184.65 －316.662 －202.002 －87.341 27.32 141.98 －326.653 －218.54 －110.427 －2.314105.799 －272.596 －164.484 －56.371 51.742 159.855 －211.23 －91.463 28.305 148.073267.841 －151.347－31.579 88.189 207.957 327.725 －5 665 －2 459748.4223 9557 162 －4 062－855.039 2 3525 5598 766 －22 042－12 489 －2 935 6 618 16 172 －17 265 －7 712 1 842 11 39520 949 －27 900 －13 2851 33115 94730 562 －20 592－5 9778 63923 25537 870 －41 413－22 372 －3 331 15 711 34 752 －31 893 －12 851 6 190 25 23144 273 －50 681 －28 211 －5 740 16 731 39 201 －39 446 －16 975 5 495 27 966 50 437 －22 019 －11 582 －1 145 9 292 19 729 －16 801 －6 364 4 073 14 510 24 947 第 25 卷 第 1 期 王继承等. 综放沿空留巷顶板锚杆剪切变形分析与控制 37 表 2 巷道顶部锚杆上的 Qmax和τmax随α 的变化情况 Table 2 Qmax and τmax change of roof support bolt in entry with α 左锚杆 中锚杆 右锚杆 α / Qmax / N τmax /MPa Qmax /Nτmax /MPa Qmax /Nτmax /MPa 2 374 0.98 3270.86 3280.86 4 810 2.13 7441.96 8972.36 6 5 879 15.47 1 05635.20 7 36019.37 8 24 947 65.65 8 76623.07 22 04258.01 10 39 082 102.85 23 14560.91 33 49588.15 12 50 681 133.37 37 87099.66 44 273116.51 力τmax随老顶岩转角α的变化情况。 从图3～5和表2中可以看出，在老顶岩块转动 过程中，左锚杆所受最大剪力始终是3根锚杆中最 大的，这与该锚杆所处位置的顶煤和直接顶完整性 较好有关。中锚杆与左锚杆相比，其所处位置的顶 煤和直接顶破碎程度加大，煤岩向锚杆传递力的 能力降低，因而锚杆的剪力下降，而且由于中锚杆 所处位置为顶板中部，在垂直方向变形空间大，因 此其所受最大剪力是3根锚杆中最小的。右锚杆所 处位置的顶煤和直接顶的破碎程度进一步加大，但 由于受充填体的作用，锚杆最大剪力比中锚杆大， 但比左锚杆小。 此外，老顶岩块转动还会对顶煤和直接顶产生 挤压破坏作用。左侧锚杆位于顶板靠实体煤帮侧， 其顶煤和直接顶完整性相对较好，所以锚杆的剪力 分布具有一定的规律。右侧锚杆位于顶板靠充填体 侧，其顶煤和直接顶完整性较差，要承受的老顶给 定变形较大，因此锚杆的剪力分布规律较差。中间 锚杆的剪力分布规律介于左、右侧锚杆之间。 从表2中还可以看出，随着老顶岩块转角的加 大，锚杆的最大剪力逐渐增加，这将导致锚杆的剪 切变形加大。而且当老顶岩块转角α12 时，左锚 杆中的最大剪应力τmax 133.37 MPa。该值已与普 通碳素钢屈服极限值相当接近，即使用屈服极限值 的0.8倍来计算剪切许用应力，考虑到锚杆受拉、 剪、弯复合应力作用，此时锚杆的剪切作用效应将 十分严重。 为了探讨用改变传统锚杆支护设计方案的办法 来降低顶板锚杆的剪切力，本文设计了第2组数值 模拟方案。在第2组数值模拟方案中，设转角α 12 ，中间锚杆仍为垂直布置，让左锚杆分别向左 倾斜5 ，10 ，15 和20 ，右锚杆分别向右倾斜 4 ，8 ，12 和16 。模拟计算得到的3根锚杆上 的最大剪力Qmax见表3。 表 3 锚杆倾角变化对 Qmax的影响 Table 3 Influence on Qmax with the changing of the inclination of bolt 倾角/ Qmax / N 左锚杆 右锚杆 左锚杆 中锚杆 右锚杆 0 0 50 681 37 870 44 273 5 4 32 111 22 236 30 044 10 8 21 019 14 198 20 747 15 12 17 043 11 210 13 345 20 16 19 741 12 003 15 101 从表3中可以看出，随着顶板左、右锚杆的倾 角增加，锚杆上的剪切力是先降后升。当左锚杆向 左倾斜15 、右锚杆向右倾斜12 时，顶板锚杆中 的最大剪力Qmax为最小，比垂直布置时有显著降低。 左、中、右3根锚杆的降低比例分别为66.4， 70.4，47.3。数值模拟结果表明，在巷道围岩大 变形情况下出现的顶板锚杆剪切受力是可以通过改 变锚杆支护设计方案而降低的，特别是适当调整顶 板锚杆的倾角可以达到较为理想的效果。 4 试验验证试验验证 为了确保综放沿空留巷工业性试验中锚杆支护 方案的可靠性，对数值模拟中发现的规律进行了物 理模拟试验验证。在物理模拟试验中将顶板锚杆倾 角分为两种一种无倾角，另一种为有倾角，其采 空区侧锚杆倾角为12 ，实体煤侧锚杆倾角为15 。 物理模拟结果见图6，从图6中可以看出，巷道顶 板锚杆有倾角情况的围岩变形控制效果明显优于锚 杆垂直布置无倾角的情况。 根据数值模拟和物理模拟情况，在综放沿空留 巷井下工业性试验的巷道锚杆支护设计中加进巷道 顶板左、右锚杆倾角设计，使首次综放沿空留巷井 下工业性试验取得了理想的效果。图7为综放大断 面沿空留巷围岩变形稳定后的实况。图8为综放 大断面沿空留巷顶底板的移近曲线。图7，8表明， 本次大断面沿空留巷的围岩变形得到了有效控制。 38 岩石力学与工程学报 2006年 a 巷道顶板锚杆垂直布置无倾角 b 巷道顶板左、右锚杆有倾角 图 6 综放沿空留巷锚杆支护物理模拟结果 Fig.6 Physical simulation result of bolt supporting of gob-side entry retaining in FCF 图 7 综放大断面沿空留巷围岩稳定后的实况 Fig.7 Real situation of the large-section gob-side entry retaining in FCF 图 8 综放大断面沿空留巷顶底板的移近曲线 Fig.8 Curve of roof-to-floor convergence of the large-section gob-side entry retaining in FCF 5 结结 语语 综放大断面沿空留巷围岩支护必定要经受大变 形的考验，尤其要影响到传统锚杆支护设计中的锚 杆受力状态，会使其发生剪切变形，而锚杆的最佳 受力状态应该是均匀的拉压应力。数值模拟结果表 明如果综放沿空留巷顶板锚杆都是垂直布置的， 随着围岩变形老顶岩块转角α增大，横向剪切受 力会越来越大，甚至会发生剪切断裂；如果适当调 整顶板左、右锚杆的倾角，则可使其锚杆横向剪切 受力显著降低。此效果得到了物理模拟试验和井下 工业性试验的验证。 参考文献参考文献References [1] 钱鸣高，缪协兴，许家林，等. 岩层控制的关键层理论[M]. 徐州 中国矿业大学出版社，2003.Qian Minggao，Miao Xiexing，Xu Jialin， et al. 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Ground Pressure and Strata Control，2000，16138–39.in Chinese 2005年度岩石力学与工程学报编委扩大会议纪要年度岩石力学与工程学报编委扩大会议纪要 2005年11月16日，在美丽的西子湖畔杭州召开了第六届岩石力学与工程学报以下简称学报编委扩大会议， 共有48位编委或其代表参加了本次会议。会议由学报主编冯夏庭教授主持，学报常务副主编佘诗刚教授汇报了学 报近年来的工作和发展态势。学报挂靠单位中国科学院武汉岩土力学研究所朱耀仲所长发表了热情洋溢的讲话，并表 示将一如继往地支持学报的工作。中国岩石力学与工程学会副理事长唐春安教授代表学会讲话，充分肯定了学报近 两年来所取得的进步。会上表彰了2004～2005年度学报优秀审稿专家和2000～2004年度优秀论文。与会代表就如何办好 学报展开多方面的讨论，并达成以下共识 1 学报由半月刊恢复月刊后，在发表文章数量比半月刊相对减少的情况下，应采取一定措施，控制出版周期；同 时，应更加突出学报学术质量，做到优中取胜。具体可采取以下几方面措施① 提高稿件录用门槛，加大退稿力度； ② 开辟“短文”栏目；③ 对水平稍低的文章转到增刊或建议作者改投他刊；④学报页码可适当增加，且少出专辑； ⑤ 注意突出学报特色，适当控制发表土力学方面的文章。 2 有关审稿问题应加以重视，目前已出现有的审稿人年审稿数量偏多以致未及时处理而造成稿件积压现象。同时，应 积极吸收优秀中青年专家参与审稿工作。建议每位编委、审稿专家近期推荐2～3名新的审稿人，以壮大学报审稿队伍。 审稿稿件应均匀分配，在把稿件送给审稿专家时，应注意送审稿件与其研究方向一致，有针对性。根据审稿质量，可考虑每 2～3年对审稿人调整更新一次。 3 学报应了解与优秀期刊的差距，力争创办一流刊物。目前学报存在“引言”部分写得不太好，引用资料过 少，且目的、技术路线不清等问题，建议专家对此严格把关，以控制稿件质量。在引用文献时，应注意引用近年发表的与本 文内容密切相关的文献。同时，文章仍存在严密性、逻辑性不强，且引用文献没有特点、没有依据、缺乏必要理论推导等不 足。学报今后还应继续注视岩土工程方面的热点、重点问题，注意理论和实践相结合，关注重大岩土工程。 4 学报应加强“讨论”栏目，一方面对所发表的文章进行讨论，做到对事不对人；另一方面，学报应及时提 出一些中心议题，对一些重大岩石力学与工程中的热点问题进行引导和讨论，以活跃学术氛围。 5 学报应充分利用学报网站，加快向国际化方向的发展，可以考虑在网站上展开各方面的讨论。 6 学报应扩大在国际上的影响，面向国际、提高学报的知名度。可主动向国际知名杂志和检索机构提供英文 摘要abstract，以便收录。英文摘要写作中应注意文章写作的目的、技术、路线、方法和结论，甚至可考虑将已出版的中文 刊物中较好的文章译成英文出版，以便于对外交流。 7 学报应积极组织高水平的学术讲座文章，可设立“陈宗基讲座”栏目，每年3月份前由学会发文通知各专业委员 会、各地方学会，并由各专业委员会、各地方学会各推荐一名主讲人给学报编辑部。经学报主编、副主编商定后， 将择优推荐3～5名侯选主讲人报学会理事长办公会议审定，最终将选取1～2名主讲人作为“陈宗基讲座”栏目主讲专家。 8 学报第六届编委会换届工作与中国岩石力学与工程学会理事换届同步，希望中国岩石力学与工程学会理事、编 委会编委推荐新一届编委候选人。 9 学报应注意发现并推荐优秀博士论文，为申报“罗哈奖”和“百篇优秀博士论文”候选人的遴选工作作准备。 本刊编辑部