煤巷顶板离层锚杆附加应力数值计算及经验公式研究

任进生

(山西焦煤集团 西山煤电股份有限公司 东曲煤矿,太原 030200)

煤巷顶板离层锚杆附加应力数值计算及经验公式研究

任进生

(山西焦煤集团 西山煤电股份有限公司 东曲煤矿,太原 030200)

以某矿井厚顶煤巷道为研究对象,通过在相邻岩层中建立接触面单元来进行岩层离层的数值模拟研究并得出结论:巷道围岩中各岩层不协调变形后出现离层,位移曲线在离层面处断开或跳跃至另一点不再连续光滑;锚杆和锚索杆体在接触面附近受力显著变大;建立了杆体受力的经验公式,并在6210工作面运巷进行试验,准确率较高。

离层;附加应力;经验公式

1 概述

层状结构是煤系地层岩层的基本特征。煤系地层中开掘巷道后,在应力调整的过程中,两相邻岩层接触面间的粘结力不足以抵抗弯曲应力,接触面张开并沿层面滑动[1]。此后,巷道围岩各岩层相继分离,承载结构由组合岩梁变为“独立”岩层,其自身重力载荷必然由范围较广的岩层承担,并产生水平方向的侧向挤压力,从而恶化巷道顶板岩层的稳定情况。这一基本规律在大断面煤巷或者松软围岩的情况时会显现地更加突出[2-3]。

在人们普遍认识到沉积岩层巷道围岩分离滑移这一普遍的客观规律后,后续研究不断深入展开。西安科技大学谷栓成教授[4]通过对离层产生的附加应力进行弹性分析发现围岩离层会对锚杆产生附加应力,增加锚杆失效率。太原理工大学贾喜荣教授[5]认为:在弯曲应力的作用下,未开挖前的组合岩梁发生弯曲下沉,并在两端和垮中的最大负弯矩(拉伸)处产生张性断裂,断裂块体形成含有岩层滑移面的三铰拱结构。顶板岩层离层发生在围岩内部,通常无法直接觉察。在岩层离层形成及发展这一过程中,深入在围岩内部的锚杆(索)受力情况必将发生很大的变化甚至出现锚杆失效。本文先采用数值计算软件对巷道建立模型计算支护前后围岩离层量值,随后再简化围岩离层影响因素构建杆体受力经验公式,最终在现场实践中检验本文的研究成果。

2 数值模拟的建立与结果

本文以某矿井厚顶煤巷道6208运巷为研究对象,通过在相邻岩层中建立接触面单元来进行岩层离层的数值模拟研究。6208工作面运巷沿底板泥岩掘进,断面尺寸为3.2 m×4.0 m(高×宽),围岩情况及力学参数如表1所示,接触面位置及力学参数如表2所示。

图1为巷道未支护的围岩变形图。巷道围岩中各岩层不协调变形出现离层后,围岩单元格挤压扭曲,位移曲线在离层面处断开或跳跃至另一点不再连续光滑。离巷道越近,围岩离层值越大。图2为巷道支护后的围岩变形图。巷道进行锚杆支护后,不管是围岩变形还是离层值均大幅度减小,即锚杆支护有效地控制了围岩变形和岩层离层现象的出现。锚杆和锚索杆体在接触面附近受力显著变大。

表1 6208工作面运巷围岩情况及力学参数Table 1 Surrounding rock and its mechanical parameters of surrounding rock in the transport roadway of No.6208 working face

表2 接触面位置及力学参数Table 2 Position and mechanical parameters of contact surface

图1 巷道未支护围岩变形Fig.1 Surrounding rock deformation in roadways before supporting

图2 巷道支护后围岩变形Fig.2 Surrounding rock deformation in roadways after supporting

由于锚索长度较长,贯穿了顶板岩层中建立的所有接触面,故本文将锚索的受力情况作为分析对象进行详细分析,锚索杆体受力曲线见图3,0 m位置为锚头位置,7.8 m为锚尾位置,0 m～1.8 m是锚索锚固段,1.8 m～7.8 m为锚索自由段。锚索锚固段拉力较小,近似等于预紧力130 kN,但在自由段锚索所承受的拉力普遍大于预紧力,这是巷道开挖和支护后围岩应力调整的结果。杆体的拉力和剪力均在接触面附近变大,接触面处最大,接触面前后拉力曲线近似对称。杆体的剪力在离接触面一定距离后普遍为0,但在距接触面不足1 m的范围内,剪力猛增至150 kN左右。从拉力和剪力曲线的整体分布来看,杆体锚尾处受力略比锚头处大,即在浅部围岩中的接触面处杆体受力较大。

3 附加应力经验公式的确定

因围岩离层而形成锚杆附加应力的机理复杂,且影响因素及程度还不甚清晰透彻，若想在现阶段精确找到锚杆附加应力的计算方法还不现实,但迫于地下工程中现场需要的紧迫,暂时找到一个简单的经验类公式还是可行的。与锚杆附近应力相关的参数较多,本文将其简化假设为杆体的拉力(或剪力)主要与顶板岩层的垂直方向离层值(剪力取水平方向离层值)、离层面相邻岩层强度(取两者单轴抗压强度的平均值)、原岩垂直应力(剪力取原岩水平应力)三者相关,依据上述假设可列下式:

将数值计算结果中的相关数据带入上式,得:

由上述六个系数可知各因素的影响权重:1)在拉力公式中,第一个系数和第二个系数数值接近,前两个影响因素对拉力的影响程度相当。第三个系数为负,表明围岩强度越大,相邻岩层离层对杆体产生的力越小。2)剪力公式中,三个系数相差很大,第一个系数最大,第三个系数其次,说明在杆体受剪力时,离层岩层的水平位移对剪力的影响最大。

图3 锚索杆体受力曲线图Fig.3 Stress curve of bolts

4 现场试验

为了检验本文的研究成果是否能在实践中真正起到指导现场工作的作用,在6210工作面运巷进行试验。在工作面推进过程中,回采巷道的稳定状况还会受到采动超前应力、采场围岩结构以及巷道围岩峰后本构关系等难以客观模拟的问题的影响,故实际杆体所受的力必然比单个巷道的要大,通过本文计算得到的结果应乘以一定系数才能与实际相近。6210工作面顶板初次来压后,设工作面煤壁处向外推30 m为试验巷道,通过对各参数的监测计算后得出,理论计算值应乘以1.306 7才能与实际值相近。随后相继在运巷每30 m作为一段测试巷道,共2段。整理数据后发现杆体拉力值的准确率达93.112%,剪力值的准确率达86.926%,本文认为该研究成果可应用于现场实践中。

杆体拉力(或剪力)的经验公式需在确定的地质条件及围岩应力环境下校正,之后才可以用于检验相近情况下的杆体受拉、受剪情况。若影响杆体受力的任一因素发生变化,例如地质构造附近,围岩已表现出高水平应力特征,这时若再强行采用经验公式必然不会起到对杆体安全监测的作用。

5 结束语

1)巷道围岩中各岩层不协调变形出现离层后,围岩单元格挤压扭曲,位移曲线在离层面处断开或跳跃至另一点不再连续光滑。

2)锚杆支护能够有效地控制了围岩变形和岩层离层现象的出现。

3)锚杆和锚索杆体在接触面附近受力显著变大。接触面前后拉力曲线近似对称,杆体的剪力在离接触面一定距离后普遍为0。

4)岩层离层值和围岩应力对杆体的拉力的影响程度相当,离层岩层的水平位移对剪力的影响最大。

5)本文初步建立了顶板离层附加应力经验公式计算方法,并对相同地质条件下的类似巷道可有一定预测作用。在不同的地质条件需要分别建立后才可使用,不可以一概全。

[1] 鞠文君.锚杆支护巷道顶板离层机理与监测[J].煤炭学报,2000,25(S1):58-61.

JU Wenjun.Monitoring Technology for Rock Bolting Engineering[J].Journal of China Coal Society,2000,25(S1):58-61.

[2] 宋朝部.大断面煤巷围岩变形破坏规律及锚固技术研究[D].太原:太原理工大学,2013.

[3] 张百胜,康立勋,杨双锁.大断面全煤煤巷层状顶板离层变形模拟研究[J].采矿与安全工程学报,2006,23(3):264-267.

ZHANG Baisheng,KANG Lixun,YANG Shuangsuo.Numerical Simulation on Roof Separation and Deformation of Full Seam Roadway with Stratified Roof and Large Section [J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23(3):264-267.

[4] 谷拴成,丁潇.巷道顶板离层对锚杆载荷影响的弹性分析[J].煤炭科学技术,2012,40(6):33-36.

GU Shuancheng,DING Xiao.Elastic Analysis on Roadway Roof Bed Separation Affected to Bolt Loading [J].Coal Science and Technology,2012,40(6):33-36.

[5] 贾喜荣.岩石力学与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学,2010.

(编辑:樊 敏)

NumericalCalculationandEmpiricalFormulaonAdditionalStressofBoltsinRoofSeparationofCoalRoadway

RENJinsheng
(DongquMine,XishanCoal&ElectricityGroup,ShanxiCokingCoalGroup,Taiyuan030200,China)

In thick roof roadway, interface element between adjacent strata was established to simulate strata separation. The results show that the separation occurs after the uncoordinated deformation of the strata in the surrounding rock. Displacement curve breaks or jumps to another point at the separation point. The stress of bolts increases significantly in the vicinity of contact surface. The empirical formula of bolt force was established and tested in the transport roadway of No.6210 working face, showing the high accuracy rate.

separation; additional stress; empirical formula

TD353

A

1672-5050(2017)03-0040-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.011

2017-04-20

任进生(1989-),男,山西广灵人,大学本科,从事煤矿生产方面的生产技术与管理工作。