软岩回采巷道锚杆支护技术数值模拟研究.pdf

煤 收稿日期 2008201203 作者简介庄永晓1982 - ,男,山东临沂人,助理工程师,从事矿建设计工作。 软岩回采巷道锚杆支护技术数值模拟研究 庄永晓 1 ,赵 辉 2 1. 厦门紫金工程设计有限公司,福建 厦门 361006; 2.安徽理工大学 能源学院,安徽 淮南 232001 摘 要采用数值模拟软件FLAC2D,对软岩巷道锚杆支护后围岩变形和破坏规律进行了数值模拟,并分析 了支护后围岩的应力、 位移及塑性区的变化情况。将数值模拟结果与现场实测结果进行了系统分析,结果 表明,对于软岩回采巷道采用锚杆支护,能够有效控制围岩深部的大变形,保持巷道的稳定。 关键词软岩;回采巷道;数值模拟;锚杆支护 中图分类号 TD315 . 3 文献标识码 A 文章编号 1005227982008 0320005202 Numerical Simulation Research of Bolt Support Technology in Soft Rocks Roadway ZHUANG Yong2xiao 1 , ZHAO Hui 2 1. Xiam en Zijin Engineering Design Co . , Ltd. , Xiam en 361006, China; 2.School of energy and safty , Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China AbstractW ith the application of numerical simulation software FLAC2D, thispaper has simulated the deation and failure regularity of surrounding rockswith bolt support for soft rocks roadway, and also analyzed the surrounding stress, displacement and plastic zone accordingly. After analyzing the results from both numerical simulation and field actualmeasurement, the author finds that bolt support for soft rock roadway can effectively control the large defor mation of surrounding rocks in depth and stabilize the roadway surrounding rocks . Keywords soft rocks; roadway; numerical simulation; bolt support 锚杆支护是将支护和加固结合为一体的支护形 式,通过加固围岩并充分利用巷道围岩的自承能力, 减小围岩的变形,从而达到巷道稳定的目的 [1]。通 过大量的现场试验和理论分析表明,提高锚杆的锚 固力是保证锚杆支护成功与否的关键。 为了对软岩回采巷道锚杆支护机理及支护效果 有较深刻的认识,以淮南矿业集团谢桥矿C13 - 1煤层 回采巷道为背景,对软岩回采巷道锚杆支护进行了 数值模拟分析。 1 模拟巷道概况 研究巷道为谢桥煤矿C13 - 1煤层1132 3风巷, 该风巷450 m段采用锚网支护试验巷道。1132 3 风巷标高- 550 m,煤层均厚5. 2 m,倾角平均14. 2, 直接顶为厚1. 8 m的砂质泥岩,基本顶为2. 0 m厚的 细砂岩,基本顶上为一层0. 6 m左右厚的C13 - 2煤 层,该煤层上为厚2. 0 m的砂质泥岩,煤层顶板为复 合型破碎顶板。直接底为厚5. 0 m的泥岩。C13 - 1煤 层普氏系数f0. 35～1. 7,该风巷顶、 底、 两帮围岩 均较软,属于典型的“ 三软 ” 煤层回采巷道。 1132 3风巷顶板采用 6根左旋螺纹钢预拉力 锚杆,规格为D20 mm2 500 mm,配合4 mKT - M5 钢带、 菱形金属网联合支护;巷道两帮分别采用4根 左旋 螺 纹 钢 预 拉 力 锚 杆,规 格 为D20 mm 2 000 mm。其间排距均为800 mm,采用两节Z2380 药卷加长锚固;每隔2. 4 m在巷道顶板打两根5 m 长锚索,采用1节CK2335树脂药卷和两节Z2380树 脂药卷加长锚固,排距为1. 6 m。 2 数值模拟分析 2. 1 数值计算模型建立原则 计算机数值模拟的可靠性很大程度上取决于所 建模型的合理性。作为回采巷道围岩变形破坏问 题,所建立模型应遵守如下原则 5 试验研究 总第101期 1 巷道问题符合平面应变问题,可以建立平 面模型进行模拟。 2 初始条件边界和应力要尽量符合实际。 3 为了消除边界效应,模型应有足够的尺寸, 巷道要处于模型中心。 4 巷道断面及采用的锚杆支护参数应与现场 施工一致。 巷道数值计算模型见图1。 图1 回采巷道锚杆支护数值计算 2. 2 应力等值线分析 由图2,图3可以看出,由于巷道开挖所引起的 巷道底板岩体深部应力分布的变化范围为5～8 m, 巷道顶板岩层两侧受剪应力和垂直应力的集中程度 要小于巷道底板。巷道围岩的垂直应力和剪应力分 布都具有明显的对称性。巷道底板深度范围在0～ 3 m左右的岩层垂直应力维持在很低的水平。 2. 3 巷道围岩不同深部位移分析 巷道围岩不同深度岩层位移变化量见图4～ 图 7。从图上可看出,巷道移近量底板、 顶板和帮部各 不相同,按移近量的大小依次为巷道底鼓量顶板 下沉量帮部移近量;巷道开挖后,在很短的时间间 隔内,巷道顶板下沉量和帮部移近量即达到最大值, 并随着时间的增长趋于稳定;而巷道底板鼓起与巷 道顶板下沉量和帮部移近量有着相似的规律,随着 底板暴露时间的延长,巷道底板缓慢鼓起,底鼓量最 后达到稳定值600 mm左右,其值是顶板最大下沉量 380 mm的1. 5倍左右,是帮部移近量160 mm的近 4倍。 2. 4 巷道围岩塑性区分布 巷道围岩塑性区分布范围见图8,从图8可明显 看出巷道底板受剪屈服的范围要远大于巷道顶板和 帮部,巷道围岩较软而底板又不采取支护,是导致底 板存在着较大范围的受剪破坏区域的主要原因。通 常,回采巷道底板不采用任何的支护方式,但对于软 岩回采巷道底板来说,此种处理底板的方法不利于 巷道底板的稳定。底板是巷道稳定性的基础,随着 巷道底板破坏区域的发展扩大,必然会导致巷道两 帮的失稳,帮部失稳进一步造成巷道顶板的下沉量 过大导致锚杆支护失效。 巷道两帮下隅角处煤层受拉而产生屈服,巷道 底板围岩塑性区的分布范围要大于巷道顶板围岩塑 性区分布范围,结合2. 3节的分析可知,该类型的巷 道围岩变形和破坏范围下转第39页 6 2008年3月 庄永晓等软岩回采巷道锚杆支护技术数值模拟研究 第17卷第3期 的矸石后在煤壁上打钻孔,钻孔口高度稍低于支架 高度,倾斜向上使孔底接触到顶板。共打146 mm 的钻孔37个,穿4. 8 m长的11 工字钢梁 37根。 4 端面顶板漏冒的预防措施 通过8407面的3次大漏顶,经过反复分析、 探 讨漏顶原因,总结得出以下几点预防措施。 4. 1 严格控制采煤工艺 1 尽可能不留顶煤开采。接顶状况不良,是 导致漏顶的重要原因,而顶煤留设不住,是接顶不良 的直接原因。遇到煤层变厚时,要及时调整采煤工 艺,尽可能不留顶煤开采。 2 及时移架。及时移架可以最大限度地减 少端面顶板的空顶时间,不仅可预防端面顶板的漏 冒,而且可有效防止漏顶范围的扩大。 4. 2 积极改善支架状况,提高支架初撑力 支架是支护顶板的物质基础,对使用时间已久 状况不良的支架必须下大力气维修,切实提高支架 的支护性能。提高支架初撑力,对预防顶板早期下 沉,防止由于顶煤变形大而使顶煤破碎,进而留不住 顶煤而恶化支架接顶,具有重要作用。 4. 3 采用马粒散超前加固顶板 马粒散加固顶板岩块作用显著,再生顶板的形 成对于成功通过漏顶区域起了极其关键的作用。因 此,对于工作面地质条件复杂的地段,采用马粒散超 前加固顶板,对预防顶板漏冒具有重要意义。 5 结 论 1 大采高综采要严格控制采煤工艺,尽可能 不留顶煤开采,彻底消除由于顶煤留不住而导致支 架接顶恶化,进而引发端面顶板漏冒的隐患。 2 对工作面地质条件复杂的地段,采用马粒 散超前加固顶板,对预防工作面端面顶板的漏冒可 起到决定性的作用。 [责任编辑魏晋英] 上接第6页主要在巷道的底板。由此可见,采用 锚杆支护对于控制巷道围岩变形和稳定起到积极的 作用。 图8 巷道围岩塑性区分布 3 现场实测分析 通过对现场巷道表面位移的量测得出巷道围岩 表面变形规律,见图9。在巷道掘进后,随着巷道暴 露时间的延长,巷道底鼓量、 顶板下沉量和帮部移近 量都逐渐增加,其中巷道的底鼓量占巷道收敛量的 主导。为了保证工作面有足够风量,回采巷道主要 采用卧底方式控制巷道断面,花费巨大。 图9 巷道围岩表面位移量 4 结 论 通过对软岩回采巷道数值进行模拟分析和实际 巷道表面位移的量测验证,得出软岩条件下回采巷 道锚杆支护的一些认识。 1 软岩回采巷道完全可以采用锚杆网支 护施工,但要保证施工质量,主要是提高锚固效果。 2 锚杆支护能够有效控制围岩变形。数值模 拟结果可以看出顶板和帮部采用锚杆支护巷道围岩 移近量明显减小,而底板不采取支护情况下鼓起量 要严重很多。 3 巷道底板是整个巷道稳定性的基础,必须 重视巷道底板支护,要加强帮部下隅角处的支护强 度。 参考文献 [1 ] 谢文兵,陈晓祥,郑百生.采矿工程问题数值模拟研究 与分析[M ].徐州中国矿业大学出版社, 2005. [2 ] 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. [3 ] 王连国,易恭猷,韩继胜.软岩巷道支护方案的数值模 拟研究[J ].煤, 20004 4 - 7. [4 ] 何满潮,孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与指 南[M ].北京科学出版社, 2004. [5 ] 王连国,韩继胜,孙求知.软岩巷道支护效果的数值模 拟研究[J ].山东科技大学学报, 2001, 201 53 - 56. [责任编辑魏晋英] 93 2008年3月 刘锦荣等四老沟矿8407大采高综采面端面顶板大面积漏冒的处理与防治 第17卷第3期