組合巖層端錨錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律模擬研究

周逸群 ，林 健 ，王正勝，楊建威

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

組合巖層端錨錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律模擬研究

周逸群1，2，林 健1，2，王正勝1，2，楊建威1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

在不考慮原巖應(yīng)力的條件下，通過有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，對(duì)軟硬巖層不同組合條件下錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，在軟巖和硬巖中，較高的連續(xù)壓應(yīng)力分布范圍基本一致，但錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力由軟巖層向硬巖層方向傳遞的效果要明顯優(yōu)于壓應(yīng)力由硬巖向軟巖傳遞的效果?，F(xiàn)場(chǎng)支護(hù)中，可通過施加高預(yù)緊力來擴(kuò)大錨桿支護(hù)有效壓應(yīng)力區(qū)范圍；同時(shí)可調(diào)整錨固段或錨桿長(zhǎng)度，使結(jié)構(gòu)面位于壓應(yīng)力較高的有利位置，避免錨桿因水平應(yīng)力的影響出現(xiàn)剪斷或離層現(xiàn)象。

組合巖層；預(yù)應(yīng)力場(chǎng)；分布規(guī)律；端部錨固

支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)是指支護(hù)在圍巖中形成的應(yīng)力場(chǎng)與支護(hù)體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)[1]。錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)是通過對(duì)錨桿施加預(yù)緊力而在圍巖中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，其核心是預(yù)應(yīng)力在錨固圍巖體內(nèi)的擴(kuò)散范圍與分布規(guī)律。研究錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)是弄清圍巖體與錨桿相互作用的基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步深化煤巷錨桿支護(hù)機(jī)理[2]，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道錨桿支護(hù)較準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，滿足生產(chǎn)和安全要求具有重要意義。

錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的分布與錨桿施加的預(yù)緊力、錨桿桿體參數(shù)、支護(hù)密度、支護(hù)時(shí)機(jī)、安裝角度、錨固方式、組合構(gòu)件等有關(guān)。針對(duì)上述各因素，學(xué)者們通過數(shù)值模擬和相似模擬試驗(yàn)做了大量研究[3-5]。此外，錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)除與錨桿相關(guān)參數(shù)有關(guān)，還與被錨固圍巖的力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中力學(xué)參數(shù)包括抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等；結(jié)構(gòu)包括圍巖中的結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙等。

煤炭開采地層多數(shù)為沉積巖，在沿頂煤掘進(jìn)時(shí)其頂板多為層狀頂板，由軟硬不同巖層及結(jié)構(gòu)面組合而成[6]。錨桿錨固圍巖的過程中，存在桿體穿過兩層或多層不同組合巖層的情況。當(dāng)前關(guān)于錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的研究，其錨固圍巖主要為單一種類巖層。關(guān)于組合巖層支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的研究，主要集中在分析圍巖支護(hù)前后整體的受力情況，突出錨桿支護(hù)的加固作用，未詳細(xì)分析錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)在不同巖層組合條件下的分布范圍和軟硬交界面的傳遞規(guī)律。本文擬在已有的錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的研究基礎(chǔ)上，通過有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，對(duì)軟硬不同條件下組合巖層錨桿端部錨固支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探究錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)在不同巖層組合條件下的分布范圍和軟硬交界面的傳遞規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

為了研究錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)在軟硬不同條件下巖層中的分布規(guī)律，在不考慮原巖應(yīng)力的條件下對(duì)組合巖層錨桿支護(hù)端部錨固支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.1 數(shù)值模擬模型建立

圍巖本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型，用FLAC3D內(nèi)置樁(pile)單元模擬錨桿，pile單元同時(shí)具備梁(beam)單元和錨索(cable)單元的作用，特別適用于模擬法向和軸向都有摩擦作用的支護(hù)構(gòu)件[7]。在現(xiàn)場(chǎng)組合巖層中，水平應(yīng)力是很重要的一個(gè)因素[8-10]，使用樁單元既可以對(duì)零應(yīng)力條件下錨桿軸向的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行模擬，同時(shí)可用于進(jìn)一步研究實(shí)際受力狀態(tài)下的圍巖應(yīng)力。模擬過程中，在打設(shè)錨桿位置創(chuàng)建2個(gè)pile單元，將錨桿尾部pile單元與周圍網(wǎng)格建立剛性連接即可模擬錨桿托盤的作用[11-12]。建立3m×2m×2m(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體模型，在其一端中部打設(shè)直徑22mm，長(zhǎng)度2.4m，錨固長(zhǎng)度600mm的錨桿，模擬其支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。根據(jù)不同的組合形式，提出6種方案，具體組合方式見表1。

表1 組合巖層模擬模型

1.2 數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)

煤礦組合巖層由軟硬不同巖層及交界面組合而成。其軟硬差異主要表現(xiàn)為強(qiáng)度與彈性模量的差異。在煤礦井下頂板巖層中，常見的軟巖層主要有煤、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、頁巖等，單軸抗壓強(qiáng)度通常在25MPa以下，且隨時(shí)間推移，巖石出現(xiàn)軟化與風(fēng)化，導(dǎo)致強(qiáng)度明顯降低。常見的硬巖層如石灰?guī)r、砂巖、粉砂巖、硅質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)礫巖等，其單軸抗壓強(qiáng)度通常在30MPa以上甚至更高[13-15]。根據(jù)井下常見情況選取組合巖層參數(shù)見表2。

選取錨桿相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)要保證錨桿支護(hù)系統(tǒng)可靠，其中桿體模擬煤礦常用的左旋無縱肋500號(hào)高強(qiáng)螺紋鋼錨桿。錨桿桿體屈服強(qiáng)度500MPa，可以很好地保證錨桿在施加預(yù)緊力時(shí)桿體處于彈性變形階段。對(duì)于樹脂錨固劑的物理力學(xué)參數(shù)選取，要使樹脂錨固劑固化后有較高的黏結(jié)力，保證錨桿有足夠的錨固力；同時(shí)要使錨固劑固化后有較高的變形模量，使錨桿錨固段有較高的剛度[16]。參考樹脂錨固劑力學(xué)性能要求選取錨固界面剪切強(qiáng)度35MPa，樹脂錨固劑彈性模量16GPa。錨桿支護(hù)模擬參數(shù)具體見表3。

表2 組合巖層圍巖力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并沿打設(shè)錨桿方向進(jìn)行切片，得到軟硬不同條件下錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)云圖，錨桿托板位置位于云圖下端。

1.3.1 單一巖層錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

單一巖層錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)如圖1所示。從圖中可以看出，無論軟巖還是硬巖，其支護(hù)應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。由于錨桿預(yù)緊力的施加，在圍巖中形成了連續(xù)的壓應(yīng)力分布區(qū)。在錨桿施加預(yù)緊力的過程中，其桿體所受拉力作用在錨桿上端錨固段位置，使錨固段周圍圍巖受到拉力作用，形成一個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)(III區(qū))。錨桿上端錨固段及附近圍巖作為一個(gè)整體向其下方圍巖傳遞壓力，在托板上方出現(xiàn)一個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)(I區(qū))、在錨固段下方的錨桿自由段附近出現(xiàn)一個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)(II區(qū))，整體呈現(xiàn)“兩壓一拉”的應(yīng)力集中區(qū)格局。

對(duì)比單一軟巖層與單一硬巖層的應(yīng)力場(chǎng)分布范圍，軟巖中低于0.05 MPa的壓應(yīng)力分布范圍稍大于硬巖。二者高于0.05MPa的壓應(yīng)力分布范圍基本一致。

對(duì)比二者應(yīng)力集中區(qū)的數(shù)值，軟巖在壓應(yīng)力集中區(qū)的最大值高于硬巖。以托板壓應(yīng)力集中區(qū)為例：軟巖層在其應(yīng)力中心0.1m范圍內(nèi)出現(xiàn)了0.45～0.5MPa的壓應(yīng)力，而在硬巖中其壓應(yīng)力中心0.1m范圍壓應(yīng)力為0.3MPa。

圖1 單一巖層錨桿支護(hù)沿錨桿軸向預(yù)應(yīng)力場(chǎng)

1.3.2 兩層組合巖層錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

兩層組合巖層錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)如圖2所示。從圖2可知，同單一巖層相比，由于組合巖層軟硬交界面的存在，阻礙了圍巖中壓應(yīng)力分布的連續(xù)性：兩種組合巖層中0.05MPa應(yīng)力等值線范圍較單一巖層均顯著變小，交界面附近難以形成較高的應(yīng)力連續(xù)區(qū)。

兩個(gè)不同錨桿穿層方向?qū)Ρ?，在托板壓?yīng)力集中區(qū)處軟巖的應(yīng)力值仍高于硬巖，就壓應(yīng)力分布范圍而言，軟-硬巖層壓應(yīng)力區(qū)總體分布范圍大于硬-軟巖層，即軟巖到硬巖在錨桿托板壓應(yīng)力的傳遞效果上優(yōu)于硬巖到軟巖。

圖2 兩層組合巖層錨桿支護(hù)沿錨桿軸向預(yù)應(yīng)力場(chǎng)

1.3.3 三層組合巖層錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

從圖3可以看出，對(duì)于三層組合巖層，硬-軟-硬組合巖層壓應(yīng)力不連續(xù)更加明顯。其0.04MPa壓應(yīng)力難以傳遞過軟硬交界面，但軟-硬-軟組合巖層中應(yīng)力擴(kuò)散效果較好，其原因主要有兩點(diǎn)：一是軟-硬-軟組合巖層托板壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散范圍大于硬-軟-硬組合巖層；二是由于軟-硬-軟組合巖層錨桿自由段上方的壓應(yīng)力區(qū)有效擴(kuò)散，并能與托板壓應(yīng)力區(qū)有效結(jié)合，形成了0.04MPa大范圍壓應(yīng)力連續(xù)區(qū)域，而硬-軟-硬組合巖層自由段處壓力集中區(qū)范圍較小。通過三層組合巖層可發(fā)現(xiàn)錨桿支護(hù)中由軟到硬的應(yīng)力傳遞優(yōu)勢(shì)較由硬到軟更加明顯。

2 組合巖層錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律比對(duì)分析

從上述對(duì)組合巖層錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的分析中可以發(fā)現(xiàn)，錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力由軟巖層向硬巖層方向傳遞的效果要明顯優(yōu)于應(yīng)力由硬巖向軟巖傳遞的效果。

圖3 三層組合巖層錨桿支護(hù)沿錨桿軸向預(yù)應(yīng)力場(chǎng)

如圖4所示，通過分析軟-硬-軟及硬-軟-硬巖層沿錨桿軸向位移：由于軟巖層與硬巖層剛度不同，其抵抗變形的能力具有明顯差異。軟巖由于剛度低，其抵抗變形的能力弱，在受壓狀態(tài)下其變形遠(yuǎn)大于硬巖變形，且變形在軟硬交界面處的分布具有一定梯度，產(chǎn)生了相較于硬巖更加明顯的微撓曲，即錨桿支護(hù)中軟硬巖交界面之間的力并非均布力。應(yīng)力由軟巖向硬巖傳遞時(shí)，變形由交界面中心向外具有明顯的梯度，更易形成較為集中的應(yīng)力向硬巖方向傳遞。而應(yīng)力由硬巖向軟巖傳遞時(shí)，其變形在交界面處位移變化小，其在交界面應(yīng)力傳遞相對(duì)均勻。分散了集中的高預(yù)緊力，降低了應(yīng)力傳遞效果。

圖4 三層組合巖層沿錨桿軸向位移

4 主要結(jié)論及建議

(1)無論單一巖層或是組合巖層，其支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律基本一致，在錨桿整體范圍內(nèi)呈現(xiàn)“兩壓一拉”的應(yīng)力集中區(qū)格局。在軟巖和硬巖中，較高的連續(xù)壓應(yīng)力分布范圍基本一致，未因強(qiáng)度或彈性模量的差異而導(dǎo)致圍巖支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的分布范圍出現(xiàn)顯著差異。但軟巖在托板壓應(yīng)力集中區(qū)的峰值高于硬巖。

(2)組合巖層錨桿支護(hù)中，由于軟硬圍巖剛度不同導(dǎo)致在軟硬交界面處位移變形梯度不同，錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力由軟巖層向硬巖層方向傳遞的效果要明顯優(yōu)于壓應(yīng)力由硬巖向軟巖傳遞的效果。壓應(yīng)力集中區(qū)越接近軟硬交界面時(shí)，此效應(yīng)越明顯。

(3)在組合巖層中，結(jié)構(gòu)面是阻礙錨桿支護(hù)應(yīng)力傳遞的主要因素，一方面可以通過施加高預(yù)緊力，擴(kuò)大有效壓應(yīng)力區(qū)范圍；另一方面可通過調(diào)整錨固段或錨桿長(zhǎng)度，使結(jié)構(gòu)面位于壓應(yīng)力較高的有利位置，避免錨桿因水平應(yīng)力的影響出現(xiàn)剪斷或離層現(xiàn)象。

(4)上述結(jié)論是在特定模型條件下通過數(shù)值模擬得出的，接下來將進(jìn)一步通過相似模擬得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

[1]康紅普.煤礦井下應(yīng)力場(chǎng)類型及相互作用分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(12)：1329-1335.

[2]鞠文君.我國煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].煤礦開采，2014，19(6)：1-6.

[3]康紅普，王金華，等.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[4]林 健，石 垚，孫志勇，等.端部錨固錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征大型模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35(11)：2237-2247.

[5]林 健，王 洋，楊景賀，等.單根錨桿不同工作載荷下支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)特征相似模擬研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：87-92.

[6]張 農(nóng)，李桂臣，闞甲廣.煤巷頂板軟弱夾層層位對(duì)錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響[J].巖土力學(xué)，2011，32(9)：2753-2758.

[7]王子越.樹脂錨桿錨固質(zhì)量和桿體變形特征研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2014.

[8]郭健卿.軟巖控制理論與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[9]魯海峰，姚多喜.采動(dòng)底板層狀巖體應(yīng)力分布規(guī)律及破壞深度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(10)：2030-2039.

[10]李桂臣.軟弱夾層頂板巷道圍巖穩(wěn)定與安全控制研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

[11]孫書偉，林 杭，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[12]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[13]祁連光，楊 科，陸 偉，等.煤系地層巖石單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(2)：100-103.

[14]馬萬祥，陳怡中，汪占領(lǐng).煤巖強(qiáng)度原位快速測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(2)：22-24.

[15]康紅普，司林坡.深部礦區(qū)煤巖體強(qiáng)度測(cè)試與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(7)：1312-1320.

[16]王曉卿，康紅普，趙 科，等.黏結(jié)剛度對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效用的數(shù)值分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(12)：2999-3007.

StudyonPrestressFieldDistributionLawofEndAnchoringRockBoltinCombinationRock

ZHOU Yi-qun1，2，LIN Jian1，2，WANG Zheng-sheng1，2，YANG Jian-wei1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

Rock bolt prestress field distribution law in different combination situation soft and hard were studied with numerical simulation by FLAC3Dwithout regard to In-situ stress.The results showed that，in soft and hard rock，the continuous higher compressive stress scope was almost similar，but the transitive effect that from soft rock to hard rock was more preceded than from hard rock to soft rock，but the effectively compressive stress scope of rock bolt supporting could be improved by applied large prestress in field，and anchoring length and rock bolt length could be adjusted at the same time，structural face located at some favorable position where compressive stress was high，shearing failure and separation could be avoided as horizontal stress.

combination rock；prestress field；distribution law；end anchoring

2017-07-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.011

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1261211)

周逸群(1993-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事巷道掘進(jìn)與支護(hù)的研究工作。

周逸群，林 健，王正勝，等.組合巖層端錨錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律模擬研究[J].煤礦開采，2017，22(6)：46-49，33.

TD322

A

1006-6225(2017)06-0046-04

林健]