底角錨桿在深部軟巖巷道底鼓控制中的應(yīng)用研究

林 業(yè)，馬春德（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

底角錨桿在深部軟巖巷道底鼓控制中的應(yīng)用研究

Application research on floor anchor in controlling floor heave in deep soft rock roadway

林 業(yè)，馬春德（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

底鼓作為深部軟巖巷道圍巖變形與破壞的主要形式之一，一直困擾著貴州開(kāi)磷集團(tuán)馬路坪礦。通過(guò)對(duì)700m中段運(yùn)輸大巷變形狀況的實(shí)地調(diào)查，以及對(duì)底鼓因素的理論分析，同時(shí)運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究底角錨桿在控制底板變形中的受力特征，從而提出底角錨桿控制底鼓的工作機(jī)理。通過(guò)對(duì)三種底錨形式（單排底錨、雙排底錨以及垂直底錨）的數(shù)值模擬對(duì)比，得出如果在高地應(yīng)力情況下，安設(shè)垂直底錨能夠防治由于較高的應(yīng)力集中而形成的剪切破碎帶隨著破壞的發(fā)展、剪切帶貫通而形成的楔形破壞。同時(shí)加設(shè)雙排底錨，利用材料自身的抗剪強(qiáng)度，切斷底板基角部位的塑性滑移線，使應(yīng)力向巖體深部傳遞，最終有效地控制巷道底鼓。

軟巖巷道；底鼓；數(shù)值模擬；單排底錨；雙排底錨；垂直底錨

1 前言

巷道由于掘進(jìn)或回采影響引起其圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和圍巖性質(zhì)發(fā)生變化，使頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體發(fā)生變形并向巷道內(nèi)位移，底板巖體向巷道內(nèi)位移為底鼓。目前，隨著支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)㈨敯逑鲁梁蛢蓭蛢?nèi)移控制在一定程度內(nèi)，但對(duì)于防治底鼓卻一直缺乏既經(jīng)濟(jì)又有效的辦法。強(qiáng)烈的巷道底鼓不僅帶來(lái)大量的維修工作，增加維護(hù)費(fèi)用，而且還影響礦井安全生產(chǎn)[1]。

貴州開(kāi)磷集團(tuán)馬路坪礦軟巖巷道頂板下沉、兩側(cè)幫內(nèi)移和變形與底鼓是顯著的礦山壓力作用的結(jié)果。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在巷道頂、底板移近量中，大約有2/3是由于底鼓引起的。這類(lèi)問(wèn)題給深部開(kāi)采礦井，特別是軟巖礦井的正常生產(chǎn)帶來(lái)了極大的困難。

2 工程背景

馬路坪礦段位于洋水背斜東翼，為一單斜構(gòu)造，地層傾向120°～130°，傾角30°～35°。700m中段運(yùn)輸大巷于2003年開(kāi)始施工，該地段主要為紫紅色頁(yè)巖，原來(lái)的支護(hù)方式為拱部鋼筋砂漿錨桿、噴漿支護(hù)，支護(hù)材料主筋采用6#鋼筋，錨網(wǎng)尺寸為2m×2m，錨桿長(zhǎng)1.5m，網(wǎng)度為15mm×15mm,錨桿排距1m，間距800～1 000mm，噴射厚度120mm。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，噴層局部開(kāi)裂剝落，局部片幫冒頂，底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，表1列出了在巷道開(kāi)掘后的三個(gè)月時(shí)間內(nèi)的底鼓量。底鼓量與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖1，底鼓速率變化見(jiàn)圖2。

表1 700m中段運(yùn)輸大巷第一測(cè)站底板位移觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖1 700m中段運(yùn)輸大巷第一測(cè)站巷道底鼓量與時(shí)間關(guān)系

圖2 700m中段運(yùn)輸大巷開(kāi)掘后巷道底鼓速率的變化

3 700m中段運(yùn)輸大巷底鼓影響因素

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)巷道底臌的機(jī)理及控制方法的研究表明，引起巷道底鼓的因素很多，其中，影響最大的有底板的圍巖性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、水理作用和支護(hù)強(qiáng)度等[2～6]。通過(guò)對(duì)馬路坪700m中段運(yùn)輸大巷變形狀況的實(shí)地調(diào)查，經(jīng)分析表明，底鼓一般是由下列方面原因引起的。

（1）圍巖性質(zhì)。巷道底板巖體軟弱，強(qiáng)度低，承載力不足是造成底鼓的直接原因。開(kāi)磷集團(tuán)礦業(yè)公司馬路坪礦700m中段運(yùn)輸大巷，巷道布置在礦層底板軟弱的紫紅色頁(yè)巖中，該巖體的強(qiáng)度較低，在較高的圍巖應(yīng)力作用下表現(xiàn)出顯著的塑性和流變性。

（2）圍巖應(yīng)力。井巷圍巖中的高支承壓力是造成底鼓的決定性因素。深部巷道遇到底鼓的情況比淺部巷道多，孤島盤(pán)區(qū)或孤島工作面中巷道的底鼓情況比其他盤(pán)區(qū)或工作面的巷道嚴(yán)重。這完全是由于地壓升高，存在著一個(gè)高支承壓力帶所至。從圖3中可看出巷道周邊圍巖的應(yīng)力方向都是向上的趨勢(shì)，為底鼓的造成起著決定性的因素。

圖3 700m中段運(yùn)輸大巷周邊應(yīng)力分布趨勢(shì)

（3）水的作用。水的作用是產(chǎn)生底鼓的主要環(huán)境因素。水可以大大改變軟弱巖體的強(qiáng)度和體積。由于水的滲入，特別是在飽和狀態(tài)下，巖體的承載力降至最低點(diǎn)，甚至完全喪失。與此同時(shí)，增強(qiáng)了巖體的塑性流變和膨脹流變。由于700m中段運(yùn)輸大巷的圍巖主要是紫紅色頁(yè)巖，該巖體遇水后具有強(qiáng)烈的膨脹性，能引起圍巖的膨脹變形。

（4）支護(hù)設(shè)計(jì)。原巷道支護(hù)形式單一，沒(méi)有根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、巷道服務(wù)年限、巷道用途來(lái)選擇支護(hù)形式，輕視底板支護(hù)。由于底板無(wú)支護(hù)，使壓力沿底板釋放，造成嚴(yán)重底鼓并使兩幫底角向內(nèi)收斂，造成兩幫的破壞失修。

4 底角錨桿防治底鼓的機(jī)理分析

圖4為將底板圍巖簡(jiǎn)化為彈塑性介質(zhì)，得出的擠壓流動(dòng)性底鼓的滑移線場(chǎng)[7]。

圖4中PU為松動(dòng)圍巖給底板的壓力，按靜水壓力傳遞。PU=Hgγ，H為圍巖的松動(dòng)高度，γ為巖石密度；B為圍巖的松動(dòng)寬度；α=45°-Φ/2；Φ為圍巖的內(nèi)摩擦角。

圖4 巷道底板滑移線場(chǎng)

根據(jù)滑移線的速度場(chǎng)性質(zhì)可推導(dǎo)出：圖4中△AOC、△A′O′C′分別與 x軸成沿的方向整體移動(dòng)，并由間斷線可知，移動(dòng)方向垂直AC、A′C′。扇形區(qū) ACD、A ′C′D′分 別繞 A、A′兩點(diǎn)在徑向法線方向上作整體移動(dòng)。如果在AC、A′C′方向布置錨桿，圍巖的移動(dòng)方向則垂直于錨桿軸向。圍巖移動(dòng)就必須克服錨桿的繞流阻力。如果繞流阻力足以平衡PU-P(P為無(wú)反拱時(shí)，底板的極限承載壓力)，則底板處于極限平衡狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生底臌。即使在A、A′兩點(diǎn)布置的錨桿失效，導(dǎo)致錨桿繞A、A′點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，圍巖向巷道空間的移動(dòng)量也遠(yuǎn)小于底板中部的移動(dòng)量。所以在AC、A′C′方向布置底角錨桿，可以有效控制擠壓流動(dòng)性底鼓[8]。

5 數(shù)值模擬分析

為深入分析700m中段運(yùn)輸大巷的底鼓機(jī)理，利用ANSYS數(shù)值計(jì)算軟件模擬原支護(hù)狀態(tài)下的巷道變形情況。模型中原巖處于側(cè)壓系數(shù)近似為1的靜水壓力狀態(tài)，原巖應(yīng)力的大小采用巷道周邊地應(yīng)力大小轉(zhuǎn)化為的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力。約束條件為左右邊界承受地應(yīng)力轉(zhuǎn)化成的水平應(yīng)力，鉛垂自由；上邊界承受地應(yīng)力轉(zhuǎn)化成的垂直應(yīng)力，水平自由；底邊界鉛垂約束，水平自由。

模擬過(guò)程分為四步：首先模擬原巖應(yīng)力狀態(tài)，待模型平衡后再進(jìn)行巷道開(kāi)挖；在第二步巷道開(kāi)挖時(shí)，對(duì)硐室全斷面以及初噴層和復(fù)噴層開(kāi)挖后，進(jìn)行求解平衡；第三步進(jìn)行初噴，然后進(jìn)行錨桿安設(shè)，考慮錨桿的加固效果，再運(yùn)行至平衡狀態(tài)；最后一步進(jìn)行復(fù)噴完后的求解計(jì)算，整個(gè)過(guò)程通過(guò)生死單元進(jìn)行分析。模擬中采用的參數(shù)見(jiàn)表2及表3。

表2 材料主要力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿力學(xué)參數(shù)

為了更好地研究底錨的作用機(jī)理，對(duì)單排底錨和雙排底錨及垂直底錨進(jìn)行了模擬并進(jìn)行對(duì)比。方案一為沒(méi)有安設(shè)底錨；方案二為安設(shè)單排底錨；方案三為安設(shè)雙排底錨；方案四為安設(shè)雙排底錨加垂直底錨，見(jiàn)圖5所示。

圖5 底角錨桿加固示意圖

5.1 巷道Y軸應(yīng)力場(chǎng)

巷道Y軸應(yīng)力場(chǎng)見(jiàn)圖6所示。從圖6中可看出，雙排底錨對(duì)減弱巷道周邊應(yīng)力場(chǎng)有明顯作用，但此時(shí)垂直底錨對(duì)巷道周邊應(yīng)力場(chǎng)的減弱無(wú)明顯作用。

圖6 巷道Y軸應(yīng)力場(chǎng)

5.2 巷道周邊最大主應(yīng)力場(chǎng)

巷道周邊最大主應(yīng)力場(chǎng)見(jiàn)圖7所示。從圖7中可以看出，安設(shè)雙排底錨能夠明顯改善巷道周邊的最大主應(yīng)力場(chǎng)，使得巷道周邊的最大主應(yīng)力值減小，從而能夠減小對(duì)巷道周邊的破壞。但此時(shí)垂直底錨對(duì)巷道周邊最大主應(yīng)力值的減弱無(wú)明顯作用。

圖7 巷道周邊最大主應(yīng)力場(chǎng)

5.3 巷道周邊應(yīng)力強(qiáng)度

巷道周邊應(yīng)力強(qiáng)度見(jiàn)圖8所示。從圖8中可以看出，垂直底錨可以有效地增加底板的應(yīng)力強(qiáng)度，從而有效地阻止底鼓的發(fā)生。

圖8 巷道周邊應(yīng)力強(qiáng)度

5.4 底角錨桿受力分析

底角錨桿受力分析見(jiàn)圖9所示，圖9（a）顯示的是靠近巷道底角的上排底角錨桿所受的剪應(yīng)力；圖9（b）顯示的是下排底角錨桿所受的剪應(yīng)力；圖9（c）顯示的是垂直底角錨桿所受的剪應(yīng)力。從圖9（c）可以看出垂直底角錨桿中部所受的剪應(yīng)力最大；從圖9（b）可得出下排底角錨桿中上部所受的剪應(yīng)力最大；從圖9（a）可得出上排底角錨桿的端部所受的剪應(yīng)力最大。分析可知，從巷道底板到巷道兩幫剪應(yīng)力逐漸向巷道邊界面轉(zhuǎn)移，所以底板所受的水平剪應(yīng)力最大，最容易產(chǎn)生剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓。所以在高地應(yīng)力地段很有必要安設(shè)垂直底錨，以便及早控制由于剪應(yīng)力而產(chǎn)生的滑移線，以達(dá)到控制底鼓發(fā)生的目的。

圖9 底角錨桿受力分析

6 結(jié)語(yǔ)

本文借助數(shù)值模擬方法，從理論角度建立了開(kāi)挖與支護(hù)形式的的力學(xué)模型，對(duì)底角錨桿在深部軟巖巷道底鼓的作用進(jìn)行了探討，得出如下結(jié)論。

（1）圍巖性質(zhì)、高地應(yīng)力、水和支護(hù)形式是引起700m中段運(yùn)輸大巷底鼓的主要原因。

（2）雙排底錨比單排底錨在減小巷道周邊最大主應(yīng)力方面有著更明顯的作用，成排的底角錨桿所形成的支護(hù)體系將巷道開(kāi)挖后應(yīng)力重分布所導(dǎo)致的豎向與水平荷載力進(jìn)行了有利的轉(zhuǎn)化，起到了切斷底板基角部位塑性滑移線的作用，而且將應(yīng)力向巖體深部傳遞[9]。

（3）當(dāng)?shù)貞?yīng)力特別大時(shí)，容易產(chǎn)生剪切錯(cuò)動(dòng)性底鼓，這時(shí)應(yīng)安設(shè)垂直底角錨桿，防治由于較高的應(yīng)力集中而形成的剪切破碎帶隨著破壞的發(fā)展剪切帶貫通而形成的楔形破壞。

（4）系統(tǒng)研究了底錨對(duì)貴州開(kāi)磷集團(tuán)馬路坪礦700m中段運(yùn)輸大巷底鼓的控制作用，對(duì)將來(lái)的施工提供一定的理論參考。

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TD353

A

2010-06-07

林 業(yè)（1987-），男，福建龍巖人，在讀碩士研究生，主要從事地下空間工程等領(lǐng)域的研究工作。

湖南省研究生學(xué)位創(chuàng)新項(xiàng)目（1343-74236000013）

Abstract:As one of the main failure modes in deep soft rock roadway,floor heave is a great problem in Maluping mine,Kailin Group.Through the in-situ investigation in haulage tunnel of the level of 700m and the theoretical analysis of the factors resulting in floor heave,by using the method of numerical simulation,the stress characteristics of the anchors fixed in floor in controlling de?formation of the floors is studied.Based on the analysis results,the work mechanism of anchors in floor is summarized.Through the numerical simulation contrast of single-row anchor in floor,double-row anchor in floor and vertical anchor in floor,the reasult shows that the vertical anchor in floor can prevent the wedge failure which is caused by the developing and connection of shear fracture zones due to the high stress concentration.At the same time,the anchors with high shear strength are fixed into the floor in double rows,and they can cut off the plastic slip line of the floor,so the stress can transfer to the deep rock,and which make the deformation of the floor is controlled effectively.

Key words:soft rock roadway;floor heave;numerical simulation;single-row floor anchor;double-row floor anchor;vertical floor anchor

1672-609X（2011）01-0035-05