B090104 大跨度巷道锚、梁、网、索耦合支护及数值模拟分析

大跨度巷道锚 梁 网 索耦合支护及数值模拟分析 徐顺利 王建刚 黄陵矿业集团有限责任公司 陕西 黄陵 727307 摘 要 黄陵二号煤矿运顺工作面为大断面巷道 通过用有限元软件对巷道支护效 果进行了系统的数值模拟分析 同时对巷道变形进行详细观测 在保证了巷道支护 效果的同时 取得了较好的经济效益 为解决大跨度巷道支护提供了新的途径 关键词 巷道支护 有限元 数值模拟 前 言 煤矿巷道支护 特别是大跨度巷道支护技术仍是目前亟待解决的一个关键问题 1 近 年来 锚杆支护技术日趋成熟 但仍旧不能较好解决大跨度 大断面 三软煤巷等困难巷 道支护加固问题 2 在黄陵二号煤矿大跨度巷道支护中 我们开展了联合支护试验研究 合理确定支护方式及支护参数 通过对巷道支护效果进行数值模拟和变形监测 优化了设 计参数 实现了初步设计与工程监测相结合的动态设计 推动了巷道支护技术的发展 1 水文地质条件 矿区主采煤层为 2 煤 属侏罗系中统延安组 煤层结构复杂 含 1 2 层矸石层 局 部 3 4 层 夹矸岩性为泥岩 局部为粉砂岩 细砂岩 煤层顶板以粉砂岩 细砂岩为主 厚度 0 42 27 88m 局部泥岩或砂质泥岩 煤层底板几乎全部为泥岩 砂质泥岩 炭质泥 岩 厚度 0 5 5 15m 巷道埋深约 450m 采区地质特性如图 1 所示 图 1 采区地质柱状图 2 巷道设计及支护参数 2 1 巷道断面设计 根据巷道用途及满足安装设备要求 巷道断面规格设计为矩形断面 断面宽 4 6m 高 2 6m 巷道掘进形式为挖底掘进 2 2 围岩松动圈范围确定 由围岩参数可知 煤层普氏系数为 1 8 左右 由压力拱理论的适用条件可判断在此巷 道的上方不能够形成自然压力拱 因此我们不采用普氏免压拱高计算围岩松动圈范围 而 是采用弹塑性理论来计算 3 巷道宽 B 4 6m 高 h 2 6m 等效园半径 m hB r70 2 22 22 0 则巷道内部最大塑性圈半径 R0为 m ctg ctg Cctg CctgP rR 479 3 352 35sin1352576 10 70 2 sin1 35sin2 35sin1 sin2 sin1 00 故巷道顶部松动圈范围为 m h Rl1 97 2 02 巷道帮部松动圈范围为 m a Rlb18 1 2 0 根据黄陵二号煤矿类似巷道的设计经验 煤岩的松动圈范围大约在 1 5 1 8m 因此 本次设计中取围岩松动圈范围为顶部 1 97m 帮部 1 6m 2 3 支护材料及参数选择 根据围岩条件应用松动圈理论进行分析 并通过工程类比法和数值分析 最终确定采 用锚 网 锚索联合支护 支护方式如图 2 所示 支护参数如下 1 顶板支护参数 锚杆为直径 20mm 长 2000mm 的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆 杆尾螺纹为 M22 锚杆间排 距为 800 800 mm 每排 6 根锚杆 锚索为直径 15 24mm 长 6000mm 的钢绞线 锚索外露长度 250mm 锚索的间排距为 1 2 2 4 m 每排 2 根锚索 锚索托梁采用长 500mm 的 16 槽钢 托梁孔径为 16mm 2 巷帮支护参数 锚杆为直径 16mm 长 2000mm 的圆钢锚杆 杆尾螺纹为 M18 锚杆间排距为 1000 800 mm 每排 2 根锚杆 钢筋托梁由直径 14mm 的钢筋焊结而成 宽度 50mm 长度 1 2m 图 2 巷道支护设计图 单位 mm 3 巷道支护效果数值模拟分析 有限元法是广泛应用于地下岩体工程稳定性研究的有力工具 利用通用有限元软件 ANSYS 的非线性数值分析程序对黄陵二号煤矿锚杆支护巷道围岩应力场 位移场分布进行 了数值模拟分析 根据本工程实际情况 主要关注的是开挖巷道的稳定性问题 巷道的开挖仅对距巷道 中心点 3 5 倍范围内有影响 因此模型宽 44 5m 高 35 21m 模型范围内围岩主要为粉砂 岩 细粒砂岩 煤等 模型按实际围岩分布建立 岩体初始地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力 它是引起采矿及其他岩 石开挖工程变形和破坏的根本作用力 是进行围岩稳定分析 实现岩石开挖设计和决策科 学化的必要前提 在本次分析中 以 450m 处的应力值为初始应力 其余边界加约束求解 计算出的初 始应力值在第一荷载步施加到模型上 部分数值模拟结果如图 3 6 所示 图 3 矩形断面锚杆支护最大主应变图 图 4 矩形断面锚杆支护最小主应变图 图 5 矩形断面锚杆支护最大主应力图 图 6 矩形断面锚杆支护最小主应力图 经模拟计算 矩形运顺断面开挖不支护时 分步加载变形累积至 250mm 时 程序不收 敛 说明变形过大 围岩已失稳 采用锚杆 索 支护 矩形运顺断面沉降 40 120mm 最大主应力 33 5MPa 最小主应力 13 7MPa 最大主应变 0 037 最小主应变 0 054 巷 道顶部应力集中系数 1 26 3 17 4 掘进过程中支护效果观测 4 1 巷道围岩变形观测 采用三角形布点法安设表面位移监测断面 测点布置在距迎头 2m 处 采用 JSS30A 型 数显收敛计进行观测 每 20m 一组 测点布置在锚杆端头 测点的锚杆端头焊接圆环 观 测频度为 距掘进工作面 50m 以内 及回采工作面 50m 以内 每天观测一次 掘进工作面 50m 以外 1 次 2 天 或按位移速度作为基准量测 4 2 观测结果分析 结果显示 在距工作面 50m 内 巷道变形相对明显 距工作面 50m 以外 变形相对稳 定 工作面开挖后 7 天内变形速率最大 以后渐渐趋于稳定 巷道最大变形速率 27 84mm d 平均变形速率 1 8mm d 巷道顶板最大下沉量 90 89mm 两帮最大位移量 72 49mm 都在设计允许范围内 经分析处理得出巷道典型监测断面变形曲线如图 6 图 7 所示 图 6 巷道顶板下沉变形速率曲线 图 7 巷道围岩变形曲线 从图中可看出净空收敛变形经历明显三个阶段 在测点距迎头 0 2 天范围内时 变形 速率较大 但持续时间短 为加速变形阶段 变形量占总变形量的 40 左右 在测点距迎 头 2 5 天范围内 变形速率减缓 此阶段为缓慢变形阶段 占总变形量的 45 左右 在 测点距迎头 5 天后 变形曲线开始收敛 为基本稳定阶段 变形量占总变形量的 15 左右 5 结 语 通过数值模拟结果和现场监测数据表明 采用锚 梁 网 索耦合支护技术进行巷道 支护 施工工艺简单 劳动强度低 降低了生产费用 减少了劳动用工 解决了巷道及开 切眼片帮 冒顶等重大安全问题 达到了安全 高效 低耗生产的目的 矿山大跨度巷道支护技术研究依旧面临诸多难点 在今后的工作中 应加强对锚 梁 网 索耦合支护机理的研究 设计更为完善的监测体系 进一步提高数值模拟研究的可靠 性 建立更加合理有效的巷道支护设计体系 参考文献 1 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 北京 科学出版社 2004 2 薛顺勋 等 软岩巷道支护技术指南 北京