深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究.pdf

收稿日期 20040520 基金项目国家自然科学基金重大项目50490273;国家基金委创新群体基金项目50221402;教育部科学技术研究重大项目 10405. 作者简介孙晓明19702 , 男,山东省泰安市人,讲师,工学博士,从事软岩工程力学及软岩巷道支护理论与技术方面的研究. 第34卷 第2期 中国矿业大学学报 Vol . 34 No. 2 2005年3月 Journal of China U niversity ofM ining 21 中国地质大学 工程与技术学院,北京 100083 摘要通过对深部开采软岩巷道的变形破坏机理的研究发现,巷道变形破坏主要是由于支护体 力学特性与围岩力学特性在强度、 刚度以及结构上出现不耦合所造成的;且变形首先从关键部位 开始,进而导致整个支护系统的失稳.因此,要保证深部软岩巷道围岩的稳定性,必须实现支护体 与围岩的耦合.数值模拟研究表明,当锚杆与围岩在刚度上实现耦合时,能最大限度地发挥锚杆 对围岩的加固作用;当锚网与围岩在强度上实现耦合时,将会使围岩的应力场和位移场趋于均匀 化;当锚索与围岩在结构上耦合时,可以充分利用深部围岩强度来实现对浅部围岩的支护.实践 证明,软岩巷道耦合支护可以有效解决深部开采软岩巷道支护问题. 关键词深部开采;软岩巷道;耦合支护;数值模拟 中图分类号 TD 353 文献标识码 A N umerical Simulation Research on Coupling Support Theory of RoadwayW ithin Soft Rock at Depth SUN Xiao2m ing 1, 2, HE M an2chao1, 2 1. School ofM echanics, A rchitecture 2.School of Engineering the stress field and deation field w ill be droved to uni w ith the strength coupling support betw een bolt2mesh and surrounding rock; the reinforcing support to surrounding rock can be realized by using inner rock strength w ith the construction coupling betw een anchor and surrounding rock. A ccording to the engineering practice, the coupling sup2 port technique can resolve the support problem of roadw ay w ithin soft rock at depth. Key words deep m ining; soft rock roadw ay; coupling support; numerical si mulation 随着浅部资源的日益减少,我国煤矿开采深度 逐渐加深,以每年8～12 m的速度增加,东部很多 矿井正以每10年100～250m的速度发展.近年己 有一批矿井进入千米以下的深部开采阶段.由于深 部复杂的力学环境,使得软岩巷道围岩稳定性控制 问题成为困扰煤矿安全生产和建设的主要难题之 一.“九五” 期间,我国10个能源建设基地有8个 都相继出现了软岩问题,造成多对矿井的停产停 建[1],直接影响煤矿安全生产.因此,国内外针对软 岩问题进行了大量的研究,逐渐形成了一些有影响 的理论和技术,如新奥法理论、 松动圈理论、 大弧板 理论、 联合支护理论[225]等.这些理论与技术解决了 大量软岩支护问题.但是,由于深部开采环境的复 杂性,软岩巷道难支护的问题尚未得到根本解决. 因此,进一步研究适合于深部软岩大变形问题的支 护理论,对于煤矿安全生产具有重要意义. 1 深部开采软岩巷道破坏机理 在深部复杂力学环境下,软岩已进入非线性塑 性大变形阶段,变形场是非线性力学场,因此,软岩 巷道的破坏机理同硬岩巷道明显不同[6].软岩巷道 的破坏主要是由于支护体力学特性与围岩力学特 性出现不耦合所造成的,并且首先从某一部位即关 键部位开始,进而导致整个支护系统的失稳.按其 变形力学机制不同,软岩巷道的破坏机理主要有以 下4种类型[728] 第一类强度不耦合.是指支护体和围岩的强 度不耦合,非均匀的荷载作用在等强的支护体上, 形成局部过载,产生局部破坏,最终导致支护体失 稳. 第二类刚度正向不耦合.是指支护体和围岩 的刚度正向不耦合,支护体刚度ES小于围岩刚 度ER , 围岩产生的过量变形得不到限制,使围岩 剧烈变形损伤、 强度降低,从而将其本身所承担的 荷载传递到支护体上,形成局部过载而产生破坏. 第三类刚度负向不耦合.是指支护体和围岩 的刚度负向不耦合,支护体刚度ES大于围岩刚 度ER , 围岩的膨胀性等能量不能充分转化为变 形能而释放,造成局部能量聚集,使支护体局部过 载而首先产生破坏. 第四类结构变形不耦合.是指支护体和围岩 结构变形不耦合,支护体产生均匀的变形,围岩中 的结构面如软弱夹层、 层理面、 断层面、 节理面等 产生差异性滑移变形,使支护体局部发生破坏. 2 深部开采软岩巷道耦合支护 根据深部开采软岩巷道变形破坏机理,要实现 软岩巷道的成功支护,必须消除支护体与围岩之间 的不耦合现象.因此,深部开采软岩巷道耦合支 护[8]就是对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生 的变形不协调部位,通过支护的耦合而使其变形协 调,从而限制围岩产生有害的变形损伤,同时最大 限度地发挥围岩的自承能力,实现支护一体化、 荷 载均匀化,达到巷道稳定的目的. 支护体与围岩的耦合作用主要包括锚杆支护 与围岩之间的耦合、 锚网支护与围岩之间的耦合以 及锚索与深部围岩之间的耦合支护. 3 巷道耦合支护作用数值模拟研究 3. 1 计算方法 本次研究采用弹塑性空间有限元程序2D 2Ρ 进行深部软岩巷道支护体与围岩相互耦合作用分 析.该程序作为一个结构应力分析系统,能够对不 同岩体参数与锚杆、 网、 锚索之间相互作用时的支 护体受力状态、 围岩应力变化规律以及塑性破坏区 发育形态等情况进行很好地模拟. 3. 2 锚杆围岩耦合作用数值模拟分析 为了方便对锚杆围岩耦合作用进行定性分析, 采用固定锚杆弹模E 100 GPa , 岩体弹模由E 1000M Pa变化到E 1M Pa,每个模拟方案均 减小一个数量级进行对比分析. 由图 1a 单根锚杆周围岩体的应力分布图可 见,由于岩体开挖,顶部岩体要向下移动、 变形,下 部岩体和上部岩体的变形大小是不同的,锚杆的存 在,增大了岩体整体的刚度,使岩体的变形更加协 调,下部岩体变形比上部岩体的变形要大得多,此 时锚杆就处于一种受拉状态,当锚杆顶端深入稳定 岩体中时,锚杆对于下部岩体起着悬吊作用,从应 力分布上看出,在锚杆的顶端,锚杆对岩体的影响 范围最大.若将岩体弹模降低到10M Pa时,单根 锚杆的作用范围在锚杆顶部降低了60左右,其 它部位锚杆的作用范围也都有所降低图 1b . 图1 单根锚杆与围岩作用 Ρy应力分布数值模拟结果 Fig. 1 N umerical si mulation result of Ρydistribution interacting between single bolt and surrounding rock 由此可看出,通常认为的锚杆的影响范围是在 锚杆顶端沿45 向下的区域的观点[9]具有一定的局 限性.当锚杆与岩体的耦合适当时,锚杆的作用范 围是超出这一范围的. 与单根锚杆与围岩作用效果相似,群锚加固岩 761第2期 孙晓明等深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究 体的影响范围的大小与锚杆和岩体的刚度相对大 小有关,并不都是锚杆顶部向下45 范围内.结果 证明图2,当锚杆与围岩在刚度上达到耦合时, 即当锚杆弹模为100 GPa,岩体弹模为1 000M Pa 时图 2a , 群锚的影响区将比此范围增大20左 右;当岩体弹模为100M Pa时才是人们通常认为 的沿锚杆顶部向下45 的加固范围图 2b ; 当岩体 弹模降低到10M Pa和1M Pa时,群锚的加固范围 又相继降低图2c, 2d . 图2 群锚加固作用 Ρy应力分布数值模拟结果 Fig. 2 N umerical si mulation result of Ρydistribution interacting between bolt support and surrounding rock 因此,在锚杆与围岩耦合的条件下,可以认为 锚杆调动岩体强度范围超过传统界限.这就要求在 进行锚杆支护设计时,要首先考虑锚杆与围岩的耦 合问题. 3. 3 锚网围岩耦合作用数值模拟分析 采用均质岩体条件下E 100 GPa钢架不耦 合支护钢架弹模E 100 GPa,菱形网弹模E 10 kPa与锚网耦合支护锚杆弹模E 100 GPa,钢 筋网弹模E 10 GPa进行锚网围岩耦合作用分 析. 由应力分布对比可以看出图3,不耦合支护 下竖直方向应力在顶部和底部较为突出,应力集中 区范围明显大于锚网耦合支护下的应力范围.实施 锚网耦合支护后的应力集中区出现在巷道的两角 部,同样应力值大于不耦合支护下的应力值.同时, 巷道整体变形量明显减小图4. 图3 不同条件下锚网与围岩相互作用 Ρy应力分布结果 Fig. 3 N umerical si mulation result of Ρydistribution interacting between bolt2mesh support and surrounding rock under different conditions 图4 不同支护条件下巷道围岩变形结果 Fig. 4 N umerical si mulation result of surrounding rock deation under different support conditions 通过分析锚杆受力变化情况可以看出图5, 在巷道掘进初期,巷道围岩顶部应力迅速集中,是 巷道垮落危险区域;在实施锚网耦合支护后,顶部 应力集中区迅速下降,而帮部低应力区应力状态迅 速提高,巷道围岩不同部位应力状态趋于均匀化. 图5 集中应力区向低应力区转移过程的数值模拟结果 Fig. 5 N umerical si mulation result of the process of concentrating stress zone to low stress zone 数值模拟结果表明,支护体与围岩的一体化是 实现锚网耦合的首要因素,同时,当锚网和围岩强 度、 刚度达到耦合时,围岩应力集中区在协调变形 过程中会向低应力区转移和扩散,锚网支护体整体 受力以及围岩的应力场和位移场均趋于均匀化. 4 锚索深部围岩耦合作用数值模拟分析 锚索支护的主要作用就是调动深部围岩强 度[10].由图6, 7模拟计算结果的对比可以看出岩 体弹模E 1 000M Pa,锚索弹模E 100 GPa,长 度5m , 没有锚索支护时图 6a , 直墙半圆拱巷道 周围形成 “双耳” 应力集中关键部位,常常造成巷道 两肩剪坏,同时,顶部应力集中程度较高图 7a ; 在应力集中关键点上施工锚索图 6b 后,浅部围 岩剪应力集中程度明显减小,深部岩体的剪应力水 平显著增加,同时顶部应力集中程度大幅度降低 图7b , 使深部围岩岩体Ρy发生集中,表明调动了 深部岩体强度,控制了浅部岩体的稳定性. 861 中国矿业大学学报 第34卷 图6 不同支护条件下巷道围岩 Σxy应力图 Fig. 6 N umerical si mulation result of Σxydistribution of surrounding rock under different support condition 图7 不同支护条件下巷道围岩 Ρy应力图 Fig. 7 N umerical si mulation result of Ρydistribution of surrounding rock under different support condition 通过比较可以看出,施加锚索支护后与施加前 巷道围岩应力分布具有明显不同,主要表现在施加 锚索支护后,剪应力明显向巷道深部围岩延伸、 扩 张,应力集中程度相对减小,在巷道围岩深部锚索 顶端出现拉应力集中区.这说明由于锚索的作用, 使巷道深部岩体也承担了浅部围岩的支护荷载,从 而减小了巷道的变形量.同时,巷道开挖后,围岩的 强度由空区向深部逐渐增大到原岩强度,通过锚索 的作用,调动了巷道深部围岩的强度,从而达到了 对巷道浅部围岩的支护效果. 5 结 论 根据以上研究结果,可以将软岩巷道耦合支护 的特点归纳如下 1 最大限度地利用围岩的自承能力; 2 最大限度地发挥刚性锚杆的支护能力; 3 充分转化了围岩中膨胀性塑性能; 4 适时支护,主动促稳而不是被动等稳; 5 利用深部围岩强度,达到对浅部围岩的控 制; 6 围岩和支护体实现了优化组合,从而使支 护系统达到耦合的最佳支护状态. 通过多年的理论研究和工程实践,深部开采软 岩巷道耦合支护技术不断得到完善和发展,解决了 所承担的煤炭、 水利、 交通、 国防等22个工程单位 31项关键工程和国际合作项目中的软岩难题,取 得了显著的经济效益和社会效益. 参考文献 [1] 晏玉书.我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展 趋势[A ].何满潮中国煤矿软岩巷道支护理论与实 践[C ]1 徐州中国矿业大学出版社, 199611217. [2] 何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学[M ].北京科 学出版社, 2002. [3] 韩瑞庚.地下工程新奥法[M ].北京科学出版社, 1987. [ 4] 董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及其应用技术 [M ].北京煤炭工业出版社, 2001. [5] 朱效嘉.锚杆支护理论进展[J ]1 光爆锚喷, 19963 124. Zhu X J.The development of bolt support theory [J ].Smooth Blasting and Bolt2Shotcreting,1996 3 124. [6] 何满潮,吕晓俭,景海河.深部工程围岩特性及非线性 动态力学设计理念[J ].岩石力学与工程学报, 2002, 248 121521224. HeM C, L v X J, Jing H H.The characters of sur2 rounding rock in deep engineering and its non2linear dynam ic2mechanical design concept [J ].Journal of Rock M echanics Engineering, 2002, 24 8 12152 1224. [7] 何满潮,孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与 施工指南[M ].北京科学出版社, 2004. [8] 孙晓明.煤矿软岩巷道耦合支护理论研究及其设计系 统开发[D ]1 北京中国矿业大学力学与建筑工程学 院, 2002. [9] 郑颖人.地下工程锚喷支护设计指南[M ].北京中国 铁道出版社, 19881 [10] HeM C, Duan Q W , Sun X M. Computer numeri2 cal si mulation of soft rock in China[A ]. W ang X. Computer applications in the m inerals industries [C ].Roterdam A A Balkema Publishers, 2001. 6972700. 责任编辑 陈其泰 961第2期 孙晓明等深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究