a070101 深部松软煤层巷道围岩超前预加固优化技术研究

深部松软煤层巷道围岩超前预加固优化技术研究 孙晓明 1 王方荣 2 齐干 1 【1 中国矿业大学，北京， 100083； 2.煤炭科学研究总院南京研究所，江苏 南京， 210018】 摘 要 随着开采深度的增加， “三高一扰动”的复杂地质力学环境使得深部煤层巷道围岩 结构变得松软、破碎。在此条件下开掘巷道，往往容易出现大面积掉顶、折帮等工程事故， 严重影响正常掘进和安全生产。在掘巷前对巷道前方松散、破碎岩体进行超前预加固处理， 可以优化围岩结构，有效保证巷道围岩强度，从而控制顶板或杜绝冒顶事故的发生。通过 数值模拟的方法分别对单根锚杆和锚杆群的超前预加固技术进行了较全面的研究，对超前 锚杆长度、刚度及布设角对预支护加固效果的影响进行了分析，对巷道围岩超前预加固优 化设计和施工具有重要的理论和实践意义。 关键词 深部巷道 松软煤层 围岩结构 超前预加固 优化技术 随着开采深度的不断加大，深部巷道处于“三高一扰动” （高应力、高地温、高渗透压 和强烈的开采扰动）的复杂地质力学环境之中 1。深部工程岩体节理、裂隙发育，地质构 造更加复杂，围岩结构更趋恶化。在此条件下开掘巷道，深部岩体原有三向平衡应力状态 遭到破坏，容易使原本完整性较差的围岩很快产生塑性大变形，巷道往往会发生大面积掉 顶、折帮，影响正常掘进和安全生产。根据软岩工程施工经验，在深部松散、破碎的岩体 中开掘巷道，为了有效地控制顶板或杜绝冒顶事故的发生，必须在掘巷前对其前方岩体进 行超前预支护加固处理，从而达到围岩结构超前优化的目的。锚杆支护可以改善围岩的物 理力学指标（如抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力等） 、提高围岩的承载能力和减少变 形，已应用于土木工程的软土超前加固和深部软岩巷道超前加固工程 26 。但至今对超前 锚杆预支护的机理研究远落后于工程实践，对其机理研究多停留在定性的解释上而缺少完 整的理论体系和计算方法。本次研究在众多学者的模拟实验、现场实践分析及力学模型研 究等研究成果的基础上，通过对超前锚杆预支护机理的理论分析，采用大型有限元数值模 拟程序，建立针对深部软岩巷道开挖过程中超前锚杆预支护作用的力学计算模型，对掘进 工作面动态施工过程中超前锚杆与围岩的相互作用过程进行动态演化模拟分析，并设计不 同的超前锚杆支护方案，对超前预支护参数进行初步优化，具有重要的理论价值和实践意 义。 1 围岩结构超前加固优化机理 超前锚杆预支护是根据组合拱支护原理，发挥锚杆主动支护特点，在即将开掘的巷道 前上方岩体的原始应力没有或很少受到破坏之前，利用锚杆的预紧挤压加固作用对其施加 一定的预应力，使掘进工作面前岩体形成具有一定承载能力的挤压加固拱，将松散的岩体 组合起来，提高岩体的自承载能力和自身稳定性，提高松散岩体的完整性，防止围岩在开 挖后坍塌。 超前锚杆通过托盘和锚固端轴向的约束，与锚杆周围的破碎岩体间形成一个相互作用 的挤压区。在这个挤压区内，各碎块之间相互阻碍其移动，形成一个较稳定的统一体，并 与其它锚杆形成的统一体相互组合，使掘进工作面前方顶板岩体形成一个较完整的整体， 其一端与已形成的挤压加固拱重叠，另一端被掘进工作面前方岩体所支承挤压，从而使布 设在松散、破碎岩体中的超前锚杆与被联结的碎裂岩块组成一个梁的结构，如图 1（ a）所 示。梁由完整未破裂到破裂乃至最终稳定，是一个由直梁到最终近似成抛物线、倒楔形弯 曲变形的倒拱梁。这一倒拱梁在形成过程中伴随着上部破碎块体的调整（移动、转动） ，上 部岩块在调整中形成新的承载体，达到新的拱平衡，如图 1（ b）所示。此外在巷道横断面 内，沿周边的超前锚杆也组成类似倒拱梁形式的边界补充条件，如图 1（ c）所示。这种类 似倒拱梁上部碎裂块体经必要的移动和转动，达到新的平衡，也形成新的平衡承载拱。 因此，超前锚杆预支护机理可解释为：超前锚杆与破碎岩块组成一个中间部位刚度低 的梁，而沿巷道周边的这种梁在变形过程中调整上部碎裂块体（移动或转动） ，使其形成三 维的拱壳结构，从而充分发挥围岩自承能力，形成人为拱效应，并随时在外部的扰动下进 行微小的新调整，达到超前预支护加固围岩的目的。 （ a） （ b） （ c） 图 1 超前锚杆与围岩组成联结体的结构示意图 2 数值计算模型 在对围岩结构超前预加固优化机理理论初步研究的基础上，为进一步确认和分析超前 锚杆对巷道围岩结构的预加固优化作用的内在机理，本次研究采用有限元程序对其进行了 模拟分析研究，以期获得对围岩结构的预加固优化机理的更全面、更科学的解释。 2.1 计算方法 超前锚杆预加固作用与巷道掘进施工为一动态过程，揭示在这一动态过程中超前锚杆 的受力变化、巷道围岩的应力分布的动态演化规律来反映超前锚杆与围岩的相互作用，据 此研究超前锚杆的内在作用机理。弹塑性空间有限元程序 2D作为一个结构应力分析系统 能方便地对锚杆、壳、梁等支护体进行设定，并能对工程动态问题中的支护体受力状态、 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的模拟。本研究采用该程序进 行巷道开挖过程中超前锚杆的预加固作用机理研究。 2.2 数值计算模型的建立 超前锚杆与破碎岩块 组成的倒拱梁横断面 倒拱梁横断面上碎裂块 体组成的多级承载拱 （1）本构方程 本研究中将数值计算研究对象作为平面应变问题处理，物理模型定为弹塑性模型，塑 性屈服准则选用 Mohr-Coulomb 准则。 （2）几何模型及参数 计算中为消除边界效应，以开挖巷道跨度的 10 倍作为各模型的计算边界，并将研究巷 道布置于几何模型的中心。采用阶段分析方法，先通过重力平衡计算模拟原应力状态，然 后进行巷道开挖、支护以及布设超前锚杆，随后进行巷道动态开挖、支护模拟。在超前锚 杆群预支护的模拟中，巷道动态开挖过程中按一定间距布设锚杆，按照“掘巷布设超前 锚杆运算掘巷”的步骤进行循环模拟运算。 （3）边界约束条件 模型左、右边界设为水平位移约束边界（ ux=0）,下边界设为全约束边界（ ux=0， uy=0） ， 上边界为零约束边界。 （4）应力施加方案 模型上边界自由边界，上部荷载直接作用于其上，大小等于覆岩自重。模拟中假设研 究对象处于静水应力状态，即所施加的水平应力大小与竖直应力（自重应力）相等。 2.3 计算方案 本次研究采用以下三种方案。方案一：锚杆直径 为 42mm、锚杆布设角 为 80；方 案二：锚杆直径 为 42mm、锚杆布设角 为 70；方案三：锚杆直径 为 20mm、锚杆布设 角 为 70。三种方案中锚杆长度 L 均为 2000mm，锚固形式均为全长锚固。通过直径变化 模拟不同刚度情况。然后基于单根锚杆超前支护模拟的初步优化结果，进行锚杆群超前支 护模拟。 3 数值模拟结果与分析 3.1 单根超前锚杆作用机理分析 对单根超前锚杆在深部软岩巷道开挖过程中不同阶段的应力分布大小和范围，以及锚 杆受力状态的研究是超前锚杆作用机理的研究基础。因此，分析不同直径、不同布设角度 的超前锚杆锚杆的受力状况，同时也是确定超前锚杆最佳工作状态及参数的首要条件。 3.1.1 模拟方案对比 （1）模拟方案一 图 26 和图 710 分别为方案一模拟所得单根超前锚杆作用时锚杆与相邻围岩的 X 方 向应力 x和 Y 方向应力 y分布图。 图 2 打入超前锚杆后 x应力图 （ =42mm， =80） 图 3 开挖 1m 后 x应力图 （ =42mm， =80） 图 4 开挖 2m 后 x应力图 （ =42mm， =80） 图 5 开挖 3m 后 x应力图 （ =42mm， =80） 图 6 开挖 4m 后x 应力图 （=42mm，=80） 图 7 打入超前锚杆后 y应力图 （ =42mm， =80） 图 8 开挖 1m 后 y应力图 （ =42mm， =80） 图 9 开挖 3m 后 y应力图 （ =42mm， =80） 图 10 开挖 4m 后 y应力图 （ =42mm， =80） 从图中可以看出： 在超前锚杆布设初期，位于巷道围岩内部的超前锚杆的杆体部分产生压应力集中，而 在锚杆尾部存在拉应力集中，如图 2 和图 7 所示。造成这一现象的原因可从两个方面进行 分析：一方面由于锚杆安装预紧力以及巷道围岩对锚杆的挤压等共同作用造成围岩内部杆 体产生压应力集中；另一方面，巷道开挖后围岩向巷道空间扩容，导致锚杆尾部产生拉应 力集中现象。 随着掘进迎头向前推进（开挖 13m） ，锚杆杆体上的拉应力集中区逐步扩大，且逐渐 由锚杆的尾部向端部转移；相应地压应力集中区逐渐减小，由锚杆的端部向尾部转移（图 35、图 8、图 9） 。当巷道进尺超过单根超前锚杆在水平方向上的投影长度时，拉应力集 中区主要集中在锚杆的端部，而在锚杆尾部产生压应力集中。分析其原因，主要是由于锚 杆尾部与巷道其它支护体共同作用产生承载能力，阻止巷道围岩下沉，从而产生压应力集 中；随着巷道的往前掘进，巷道顶部围岩产生松动、下移，由此锚杆与孔壁围岩间的相互 作用力逐步向深部（锚杆端部）转移。当迎头远离超前锚杆端部时，相对而言处于巷道顶 板深处的锚杆端部与孔壁围岩间仍存在一定的锚固力。此时的超前锚杆与围岩间的作用体 现在两个方面：一方面，在铅垂投影方向上，超前锚杆可以近似地看作为一根长度为 Lcos的端头锚固锚杆，承担着对下部松散岩体的悬吊作用；另一方面，在水平投影方向 上则可以看作是一根长度为 Lsin的简支梁，梁的两端分别被固定在深部锚固端和尾部与 其它支护体共同作用点，因为顶板围岩的下沉及错动，产生下拽力作用，结果导致锚杆端 部产生拉应力集中。 随着掘进迎头继续推进（开挖 4m） ，锚杆端部围岩拉应力集中的范围逐渐扩大，而整 个杆体则出现压应力集中（图 6、图 10） 。此时超前锚杆主要是承受阻止巷道围岩下沉错动 而产生的挤压力。当巷道掘进迎头推进到超过超前锚杆长度 2.5 倍以上时，应力集中程度 及范围基本不再扩展，即该范围为超前锚杆作用的临界范围。由此可见，超前锚杆不仅对 其前方岩体起到加固作用，而且随着迎头继续推进到甚至越过杆体时，锚杆仍能起到加固 围岩的作用。 （2）模拟方案二 在模拟方案一的基础上，改变锚杆布设角，以探讨锚杆布设角 与超前支护间的定性 关系。 图 1114 分别为方案二中巷道处于不同开挖阶段时模拟所得单根超前锚杆杆体及其作 用区域围岩在 Y 方向上的应力分布图。 图 11 打入超前锚杆后 y应力图 （ =42mm， =70） 图 12 开挖 1m 后 y应力图 （ =42mm， =70） 图 13 开挖 2m 后 y应力图 （ =42mm， =70） 图 14 开挖 3m 后 y应力图 （ =42mm， =70） 从图中可以看出，在“锚杆的初始安装巷道迎头不断向前推进迎头超过锚杆安设 点 2 倍以上长度”的整个过程中，锚杆杆体的受力及其周边围岩的应力变化规律与方案一 基本一致。 比较方案二与方案一中 Y 方向应力分布情况时可以看出，方案二中超前锚杆杆体上及 其周边围岩的应力叠加程度和作用范围比方案一大，即减小锚杆布设角有利于更好地发挥 超前锚杆的预支护加固作用和对掘进面前方破碎岩体稳定性的控制。 （3）模拟方案三 在方案一和方案二模拟结果的基础上，选用相对利于前方岩体控制的锚杆布设角 （ =70） ，改变锚杆直径（20mm） ，其它参数不变，以探讨锚杆直径与超前支护间的定性关 系。 图 1518 分别为方案三中巷道在不同开挖阶段时模拟所得单根锚杆超前预支护作用区 及锚杆杆体在竖直方向上的应力分布图。 图 15 打入超前锚杆后的 y应力图 （ =20mm， =70） 图 16 开挖 1m 后的 y应力图 （ =20mm， =70） 图 17 开挖 2m 后的 y应力图 （ =20mm， =70） 图 18 开挖 4m 后的y 应力图 （=20mm，=70） 从图中可以看出，在超前锚杆在整个巷道向前推进的动态过程中，锚杆杆体及其周边 围岩的应力变化规律与方案一、二基本一致。 比较方案三与方案二可以看出，锚杆刚度（直径）减小后，超前锚杆预支护作用的影 响范围以及锚杆周边围岩的应力叠加程度都相应减小，不利于对前方岩体的超前预加固作 用。由此可见，巷道掘进超前支护中，增加锚杆的刚度可以提高锚杆预支护加固效果。这 主要是因为在超前锚杆与围岩的共同作用中，杆体不仅具有拉伸和压缩的力学作用，而且 具有抗弯、抗剪作用。因此，在超前锚杆预支护设计时，不仅要考虑锚杆的强度，而且要 考虑它的刚度。 3.1.2 结果分析 从结果对比分析可以看出，单根超前锚杆的作用范围是有限的，锚杆的超前控制效果 与其长度、刚度以及布设角度均有一定的关系，如在一定范围内增加锚杆的刚度、减小布 设角均能提高超前锚杆的预支护加固效果。一般情况下，对于强度较低、碎裂程度较大的 岩体，应选择长度较长、刚度较大的超前锚杆，同时布设角度也应相对较小，这样才能充 分调动碎裂围岩自身的承载能力，实现锚杆与围岩的共同耦合承载，形成较强的支承合力， 达到超前预支护的目的。 3.2 超前锚杆群作用机理分析 基于上述研究成果，选用直径 42mm、长 2000mm 的全长锚固锚杆，以 70布设置角进行 超前锚杆群作用机理模拟研究。 图 1923 分别为巷道掘进迎头推进不同进尺过程中，超前锚杆群支护作用下锚杆及其 相邻作用区域围岩垂直方向上的应力分布图。 图 19 打入超前锚杆后 y应力图 （ =42mm， =70） 图 20 开挖 1m 后y 应力图 （=42mm，=70） 图 21 开挖 2m 后 y应力图 （ =42mm， =70） 图 22 开挖 3m 后 y应力图 （ =42mm， =70） 图 23 开挖 4m 后 y应力图 （ =42mm， =70） 从图中可以看出： 掘进迎头推进前（循环进尺为 0m） ，在迎头前上方布设第一根超前锚杆的初期，锚杆 及围岩的应力分布特征与单根锚杆超前支护作用时相同，即围岩内部超前锚杆杆体产生压 应力集中，而在锚杆尾部产生局部拉应力集中，如图 19 所示。 随着掘进迎头向前推进，在第二根锚杆布设后，第一根锚杆的应力集中范围有所转移， 其集中程度有所降低，但作用范围增大。高应力集中区主要在锚杆的尾端，应力变化仍然 遵循拉应力集中区逐步向锚杆的端部（深部）转移，而压应力集中区由端部向尾部转移并 逐渐减小的规律，如图 20 所示。同时，第二根锚杆的应力变化情况类似于第一根锚杆的布 设初期，但应力集中程度要低得多，此时第一根锚杆对前上方围岩起主要控制作用。 随掘进迎头继续向前推进，在第三根锚杆安设后（此时迎头推进尺寸超过第一根锚杆 在水平方向上的投影长度） ，在第一根锚杆的端部出现局部拉应力集中，而在锚杆尾部产生 压应力集中，但集中程度较低，且第一根锚杆端部的应力集中范围向第二根锚杆方向扩展， 如图 21 所示。与此同时，第二根锚杆的应力集中区与第三根锚杆尾部的应力集中区产生部 分叠加。第三根锚杆的应力分布特征与第二根锚杆布设初期的情况基本相同。随着迎头的 推进及相应锚杆的安设，随后布设的锚杆的应力分布将重复先前布设的锚杆的应力变化规 律，但各锚杆的应力集中均随着迎头推进由后向前渐次增加。 通过以上超前锚杆群预支护作用过程的动态分步模拟分析可以看出：沿着迎头推进方 向，由于先后布设的各锚杆之间的相互作用，锚杆的应力集中程度比单根锚杆超前预支护 时有所降低；由于各锚杆之间的作用范围局部相互叠加，在推进方向上形成动态支承拱， 随着迎头的推进而推进，该支承拱与后续安设的锚、网+锚索支护共同作用，从而使超前锚 杆群形成一个支护整体，增强了整个超前锚杆群对巷道围岩的支承能力。 通过改变支护参数进行的系统对比研究可以看出，支护参数的改变对超前支护加固作 用有很大影响，如当超前锚杆的布设角度过大时，不仅超前锚杆群形成的支承拱影响范围 较小，而且也不利于支承拱的形成。此外，合理的锚杆刚度也是提高锚杆群超前预加固作 用效果的保证。 4 结 论 超前预支护锚杆与巷道围岩相互作用，通过挤压加固拱和横梁作用，调整锚杆超前 加固作用影响范围内破裂岩体力学特性、优化巷道围岩结构、充分调动破裂岩块的自承载 能力，可有效实现对掘进迎头前上方岩体运移的控制作用，达到超前预支护加固的目的。 超前锚杆的控制效果与其长度、刚度以及布设角度均有一定的关系，在一定范围内 增大锚杆的直径、减小布设角均能提高超前锚杆的预支护加固效果。 单根超前锚杆的作用范围有限，而超前锚杆群中各锚杆之间的作用范围局部相互叠 加，在推进方向上形成动态支承拱，随巷道迎头的推进而随之推进，该支承拱与巷道后续 安设的锚网索支护共同作用，从而使超前锚杆群形成一个支护整体，增强了整个超前锚杆 群对巷道围岩的支承能力。 由于深部软岩巷道工程的工程地质条件千变万化，因此超前锚杆的长度、直径以及 布设角度等参数必须针对具体情况来确定。一般而言，对于