东海煤矿锚杆及注浆支护模拟

金珠鹏,孙广义

(黑龙江科技学院资源与环境工程学院，黑龙江哈尔滨 150027)

东海煤矿弧形底角巷道以其独特的去直取圆的断面设计思路，去除了直角拱形巷道中引起应力集中的两个直角底角，以两段弧形代替，这种断面形式有效减小了巷道底板应力集中的范围和强度，有利于控制巷道的稳定性及底鼓[1]。在东海矿的地质条件下(围岩中有煤层)，并不是底角半径越大应力集中的范围和程度就越小，根据大量的分析研究，有利于控制巷道稳定性及底鼓变形量的底角半径为1.9 m，1.0 m，1.3 m，综合考虑施工的难易程度，巷道断面的利用率，选择底角半径为1.0 m比较合适[2]。

同时新方案要求新掘巷道在施工过程中不但在巷道两侧底角设计成弧形，并打底角锚杆，以此来减小底角处由应力集中所造成的损害和增加底角围岩自身的承载能力，因此本文主要分析研究较为合理的控制底板变形的锚杆数量以及模拟研究巷道围岩在注浆前后，巷道围岩应力分布情况，分析研究巷道围岩注浆后应力变化，并总结注浆支护机理[3]。本文采用ANSYS软件进行模拟。

1 数值模拟模型的建立

1.1 弧形底角巷道底角锚杆建模

根据对东海煤矿分析研究弧形底角巷道模型尺寸：底角半径1.0 m，半圆拱半径2m，直墙高度0.9 m，巷道宽4m。整体模型尺寸：30m×26m，模型范围内布置两种岩体：即模型范围内只有巷道(粉砂岩)及其围岩(粉细砂岩)两种岩石，根据研究的需要，为东海煤矿深部巷道围岩控制数值模拟提供岩石力学参数依据，结合实验室对岩石力学参数的测定及数值模拟参数的转换，得出力学参数见表1。

在巷道顶板施加3根2m锚杆情况下，分别对：巷道底板无支护情况，巷道底板施加2根2m锚杆情况，巷道底板施加4根2m锚杆情况，锚杆以施加约束的方式施加，进行模拟。岩层使用Plane42单元进行模拟[6]。

表1 换算后的参数表

1.2 注浆支护模拟建模

模拟地下1000 m处下山巷道围岩在注浆支护条件下的应力分布情况，按1.1中弧形底角巷道的尺寸及整体模型尺寸建立几何模型。各岩层使用Plane42单元对围岩注浆前后进行模拟。注浆支护实施方法：在注浆范围内(3m)，通过增加注浆范围内岩体的力学参数来模拟注浆效果[4]。通过改变注浆范围内的岩层的属性来模拟注浆支护效果：注浆范围内的岩层的部分力学参数(包括弹性模量，粘聚力，内摩擦角)提高一倍[5]。

2 加载求解过程

模拟原始应力，施加竖向和水平荷载，在模型底部施加竖向位移约束。

埋深取：1000m。综合考虑泊松比与构造应力的影响，巷道的应力状态取水平应力与垂直应力相等的静水压力状态。

即：σv=rH=25MPa

(2-1)

σh=σv=rH

(2-2)

式中：r为上覆岩石平均容重(KN/m3)；H为埋深(m)；σv为巷道围岩垂直压力(MPa)；σh为巷道围岩水平压力(MPa)

其数值为：25MPa。

3 数值模拟结果

不同锚杆布置数值模拟结果见表2。

表2 不同锚杆布置模拟结果分析

4 分析结果总结

4.1 不同锚杆布置模拟结果分析

底板未施加锚杆时，巷道附近围岩应力较大，且底板的塑性应变较大。底角附近施加两根锚杆后，底板附近的应力状态有所改善，底板塑性应变大幅减小。在底角施加四根锚杆后，锚杆附近应力增大，底板附近的应力转移到远处，底板塑性应变不大。综合以上分析情况，在底角附近施加两根锚杆能够有效减小底板的塑性应变，控制底鼓的发生。

4.2 巷道围岩注浆后应力变化分析

注浆后，对比注浆前，巷道附近围岩的应力向深部转移，巷道远处模型范围内(30m×26m)岩体应力普遍增高，这一特点在X方向应力和竖直方向应力都有显著的体现，由此可以说明在向围岩注浆后，注浆范围内围岩的性质有了明显的改善：岩体的弹性模量，抗压强度等力学参数变大了，导致原本在巷道附近的应力集中向围岩深处转移了。注浆这种支护方式通过改善围岩的力学参数(从而使应力集中向围岩深处发展)达到了支护的效果。

[1] 孙广义，陈刚.深部巷道断面优化研究[J].煤炭工程， 2008(9):57-60.

[2] 孙广义，陈刚.东海煤矿深部巷道支护技术[J].黑龙江科技学院学报，2010(1):28-30.

[3] 康红普. 深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践[J].煤矿开采，2008,13(1):28-29.

[4] 康红普. 煤矿深部巷道锚杆支护理论与技术研究新进展[J].煤矿支护，2007(2):1-8.

[5] 刘红岗. 贺永年，徐金海，等.深井煤巷钻孔卸压技术的数值模拟与工业试验[J].煤炭学报，2007，32(1):33-37.

[6] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005, 24(16)：2803-2813.

[7] 郭文兵,李小双.深部煤岩体高温高围压下力学性质的研究现状与展望[J].河南理工大学学报：自然科学版, 2007,26(1): 16-17.

[8] 何满朝.深部开采工程岩石力学的现状及其展望[C]∥中国岩石力学与工程学会.第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[M].北京:科学出版社, 2004: 88-94.