巷道頂板錨索破斷機(jī)理模擬分析

李 濤

(潞安礦業(yè)集團(tuán)公司 總調(diào)度室，山西 長(zhǎng)治 046204)

錨桿錨索支護(hù)是一種主動(dòng)加固圍巖的支護(hù)手段，能夠有效發(fā)揮圍巖自身的支撐作用，對(duì)礦山安全高效生產(chǎn)具有重要意義。隨著煤礦開(kāi)采深度不斷增加，高地應(yīng)力作用直接加劇了巷道圍巖的變形，導(dǎo)致錨索作用下的巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載大，加上現(xiàn)代機(jī)械化采煤活動(dòng)劇烈，導(dǎo)致巷道支護(hù)中的錨索變形趨于極限值，錨索破斷失效等問(wèn)題愈發(fā)突出，圍巖穩(wěn)定性的控制難度也不斷增大。為了確保錨索支護(hù)作用下巷道的穩(wěn)定性，開(kāi)展巷道頂板錨索破斷機(jī)理研究，分析在高應(yīng)力作用下錨索的損傷效應(yīng)，具有重要意義。本文以王莊煤礦91采區(qū)某工作面為例，對(duì)其進(jìn)行分析。工作面主采二疊系3號(hào)煤層，煤層均厚6.5 m，采用綜采放頂煤開(kāi)采工藝，煤層直接頂為泥巖，厚度為2.54 m，基本頂為3.1 m厚的細(xì)砂巖，直接底為0.88 m的泥巖，基本底為2.15 m的細(xì)砂巖。

1 巷道頂板錨索破斷形式

巷道開(kāi)掘后，巷道圍巖應(yīng)力平衡遭到破壞，圍巖內(nèi)積聚的彈性變形能量得以釋放，從而造成巷道圍巖發(fā)生變形，對(duì)于回采工作面巷道來(lái)說(shuō)，圍巖頂板、幫體均為煤體，煤層巖性較軟，致使巷道圍巖變形更為劇烈，而劇烈的地層壓力下，巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)更為突出。隨著巷道掘進(jìn)的不斷延伸，巷道圍巖變形由淺向深、由快向慢長(zhǎng)期發(fā)展，巖性越軟，巷道變形周期越長(zhǎng)，變形范圍越大。而錨索支護(hù)屬于剛性支護(hù)，剛性支護(hù)特征與圍巖變形特征呈現(xiàn)相互制約作用，而劇烈采掘活動(dòng)對(duì)巷道造成強(qiáng)烈干擾情況下，巷道圍巖常常會(huì)發(fā)生劇烈變形，致使錨索在此過(guò)程中發(fā)生相應(yīng)變形，如果超過(guò)剛性支護(hù)極限，甚至?xí)a(chǎn)生斷裂，失去支護(hù)效應(yīng)。在此過(guò)程中，錨索主要會(huì)產(chǎn)生法向的剪切破壞和軸向的受拉破斷兩種形式，即錨索周?chē)^固體沿錨索切向變形引起的剪切力大于錨索所能承受的極限抗剪強(qiáng)度，以及錨索軸向受力大于錨索原有的預(yù)緊力，錨索就會(huì)發(fā)生剪切破壞和斷裂失效。

2 數(shù)值模型建立

本文基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，依據(jù)試驗(yàn)巷道鉆孔資料和地質(zhì)柱狀圖資料建立三維數(shù)值模型。本模型中，垂直應(yīng)力施加于模型的頂部，大小為11.25 MPa，水平應(yīng)力施加于模型的四周，大小同垂直應(yīng)力保持一致。邊界條件設(shè)定為：模型的四周邊界為單約束邊界，即X和Y方向的水平位移為0，模型的下部邊界為單約束邊界(只固定Z方向)，模型上部邊界為自由邊界。數(shù)值模型如圖1(a)所示。本次模擬本構(gòu)關(guān)系選擇摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，計(jì)算時(shí)，先根據(jù)模型的幾何尺寸劃分計(jì)算網(wǎng)格，并賦予相應(yīng)巖層巖體力學(xué)參數(shù)，計(jì)算原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，然后對(duì)巷道進(jìn)行開(kāi)挖并施加支護(hù)，支護(hù)同現(xiàn)場(chǎng)保持一致，模擬時(shí)采用Cable單元模擬錨桿錨索，由于軟件自身的特點(diǎn)，錨索破斷功能不能直接實(shí)現(xiàn)，因此，采用軟件內(nèi)置FISH語(yǔ)言進(jìn)行編程，監(jiān)測(cè)錨索長(zhǎng)度變化，當(dāng)其變形程度超過(guò)錨索最大延伸長(zhǎng)度時(shí)，視為支護(hù)體出現(xiàn)失效，模型支護(hù)如圖1(b)所示。

圖1 錨索支護(hù)三維數(shù)值模型

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖應(yīng)力分布特征

巷道圍巖應(yīng)力分布云圖如圖2～圖4所示，巷道開(kāi)挖后，圍巖垂直、水平及剪切應(yīng)力基本表現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布的特點(diǎn)。從圖2(a)可以看出，巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，巷道圍巖產(chǎn)生一定范圍的破壞，在巷道頂?shù)装逄幘霈F(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力值最大約為0.151 MPa，巷道應(yīng)力集中出現(xiàn)在巷道兩幫側(cè)，垂直應(yīng)力值最大約為15.1 MPa，掘進(jìn)期間巷道垂直應(yīng)力集中程度較小，支護(hù)難度不大；從圖3(a)可以看出，水平應(yīng)力降低區(qū)主要集中分布在巷道底板處，應(yīng)力值最大約為0.138 MPa；從圖4(a)可以看出，巷道開(kāi)挖后，剪應(yīng)力成對(duì)出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)剪應(yīng)力方向相反，主要出現(xiàn)在巷道的四個(gè)尖角處，頂板尖角處的剪應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷道，底板尖角處剪應(yīng)力集中區(qū)距離巷道較近，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在底板尖角處，對(duì)應(yīng)值約為3.65 MPa。

隨著工作面的回采，采場(chǎng)周?chē)膸r體應(yīng)力分布發(fā)生變化，圍巖應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致采場(chǎng)圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)與降低區(qū)，從而引起采場(chǎng)附近的巷道圍巖發(fā)生不同程度的應(yīng)力再分布，巷道圍巖承受較大的支承壓力。由圖2(b)～圖4(b)可知，工作面回采后，圍巖應(yīng)力基本表現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布的特點(diǎn)。從垂直應(yīng)力分布云圖可以看出，受工作面采動(dòng)擾動(dòng)影響，圍巖垂直應(yīng)力集中區(qū)向巷道圍巖淺部轉(zhuǎn)移，最大垂直應(yīng)力值為26.72 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.375；與掘巷期間相比，采動(dòng)影響后圍巖垂直應(yīng)力上升更加明顯，破壞更劇烈，高應(yīng)力狀態(tài)給圍巖穩(wěn)定性控制帶來(lái)一定難度。于此同時(shí)，在工作面回采期間，剪應(yīng)力成對(duì)出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)剪應(yīng)力方向相反，主要出現(xiàn)在巷道的四個(gè)尖角處，頂板尖角處的剪應(yīng)力集中區(qū)向巷道側(cè)移近較為明顯，最大剪應(yīng)力達(dá)到約4.89 MPa，較巷道掘進(jìn)期間，剪應(yīng)力峰值增加幅度高大33.97%。

圖2 圍巖垂直應(yīng)力云

圖3 圍巖水平應(yīng)力云

圖4 圍巖剪切應(yīng)力云

3.2 錨索受力分析

巷道開(kāi)挖后，頂板錨索受力監(jiān)測(cè)變化曲線，見(jiàn)圖5。在初始階段，圍巖變形能釋放，變形增長(zhǎng)較快，錨索受力曲線呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)，達(dá)到234 kN；當(dāng)圍巖變形趨于穩(wěn)定時(shí)，錨索受力增速放緩，最終趨于穩(wěn)定，掘巷穩(wěn)定后，在3-2-3錨索布置中，錨索受力由大到小依次是三根錨索中里側(cè)錨索、兩根布置錨索、三根錨索外側(cè)兩根錨索。錨索最大受力值分別為242 kN、241.2 kN、239.2 kN，這是由于在掘巷階段，頂板下沉一般呈現(xiàn)出巷道中部較大而兩側(cè)較小的弧形分布。在掘巷期間，錨索受力最大值都未達(dá)到其屈服極限及破斷載荷，說(shuō)明原有支護(hù)基本可以滿足巷道掘巷期間的支護(hù)要求。

隨著工作面的回采，巷道圍巖受到較大的回采動(dòng)壓影響，支護(hù)體受力隨著圍巖離層變形的增大出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，并相繼達(dá)到錨索破斷載荷，同時(shí)桿體伸長(zhǎng)量超過(guò)其最大延伸率，支護(hù)體出現(xiàn)破斷并且受力降為零，見(jiàn)圖6。回采期間巷道頂板非采動(dòng)側(cè)最外側(cè)錨索最先出現(xiàn)破斷，之后中部錨索出現(xiàn)破斷，頂板采動(dòng)側(cè)錨索最后出現(xiàn)破斷。可以看出，在工作面動(dòng)壓影響下，雖然巷道頂板采動(dòng)側(cè)圍巖下沉量大于非采動(dòng)側(cè)，但是其主要變形來(lái)自巖層的整體下沉，錨索支護(hù)范圍巖層的離層值由巷道淺部圍巖及其深部圍巖位移差所決定。

圖5 掘巷期間錨索受力

圖6 錨索全過(guò)程受力曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 錨索破斷前巷道圍巖的應(yīng)力降低區(qū)主要集中分布在頂?shù)装逡约跋锏纼蓭吞?，與掘巷期間相比，采動(dòng)影響后圍巖水平和垂直應(yīng)力增加明顯，同時(shí)水平應(yīng)力降低區(qū)出現(xiàn)向巷道圍巖深部擴(kuò)展貫通的現(xiàn)象，而垂直應(yīng)力更為集中，并且向巷道圍巖淺部轉(zhuǎn)移，破壞更劇烈，高應(yīng)力狀態(tài)給圍巖穩(wěn)定性控制帶來(lái)一定難度。

2) 在巷道支護(hù)實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)注重并及時(shí)監(jiān)測(cè)頂板離層量的變化。而原有巷道支護(hù)方案僅能滿足巷道掘進(jìn)過(guò)程中的支護(hù)需要，在工作面采動(dòng)后，支護(hù)體可能因?yàn)檩^低的延伸率而破斷失效，因此提高原支護(hù)方案中錨索延伸率成為控制圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵。