煤巷頂板離層錨桿附加應力數值計算及經驗公式研究

任進生

(山西焦煤集團 西山煤電股份有限公司 東曲煤礦,太原 030200)

煤巷頂板離層錨桿附加應力數值計算及經驗公式研究

任進生

(山西焦煤集團 西山煤電股份有限公司 東曲煤礦,太原 030200)

以某礦井厚頂煤巷道為研究對象,通過在相鄰巖層中建立接觸面單元來進行巖層離層的數值模擬研究并得出結論:巷道圍巖中各巖層不協調變形后出現離層,位移曲線在離層面處斷開或跳躍至另一點不再連續光滑;錨桿和錨索桿體在接觸面附近受力顯著變大;建立了桿體受力的經驗公式,并在6210工作面運巷進行試驗,準確率較高。

離層;附加應力;經驗公式

1 概述

層狀結構是煤系地層巖層的基本特征。煤系地層中開掘巷道后,在應力調整的過程中,兩相鄰巖層接觸面間的粘結力不足以抵抗彎曲應力,接觸面張開并沿層面滑動[1]。此后,巷道圍巖各巖層相繼分離,承載結構由組合巖梁變為“獨立”巖層,其自身重力載荷必然由范圍較廣的巖層承擔,并產生水平方向的側向擠壓力,從而惡化巷道頂板巖層的穩定情況。這一基本規律在大斷面煤巷或者松軟圍巖的情況時會顯現地更加突出[2-3]。

在人們普遍認識到沉積巖層巷道圍巖分離滑移這一普遍的客觀規律后,后續研究不斷深入展開。西安科技大學谷栓成教授[4]通過對離層產生的附加應力進行彈性分析發現圍巖離層會對錨桿產生附加應力,增加錨桿失效率。太原理工大學賈喜榮教授[5]認為:在彎曲應力的作用下,未開挖前的組合巖梁發生彎曲下沉,并在兩端和垮中的最大負彎矩(拉伸)處產生張性斷裂,斷裂塊體形成含有巖層滑移面的三鉸拱結構。頂板巖層離層發生在圍巖內部,通常無法直接覺察。在巖層離層形成及發展這一過程中,深入在圍巖內部的錨桿(索)受力情況必將發生很大的變化甚至出現錨桿失效。本文先采用數值計算軟件對巷道建立模型計算支護前后圍巖離層量值,隨后再簡化圍巖離層影響因素構建桿體受力經驗公式,最終在現場實踐中檢驗本文的研究成果。

2 數值模擬的建立與結果

本文以某礦井厚頂煤巷道6208運巷為研究對象,通過在相鄰巖層中建立接觸面單元來進行巖層離層的數值模擬研究。6208工作面運巷沿底板泥巖掘進,斷面尺寸為3.2 m×4.0 m(高×寬),圍巖情況及力學參數如表1所示,接觸面位置及力學參數如表2所示。

圖1為巷道未支護的圍巖變形圖。巷道圍巖中各巖層不協調變形出現離層后,圍巖單元格擠壓扭曲,位移曲線在離層面處斷開或跳躍至另一點不再連續光滑。離巷道越近,圍巖離層值越大。圖2為巷道支護后的圍巖變形圖。巷道進行錨桿支護后,不管是圍巖變形還是離層值均大幅度減小,即錨桿支護有效地控制了圍巖變形和巖層離層現象的出現。錨桿和錨索桿體在接觸面附近受力顯著變大。

表1 6208工作面運巷圍巖情況及力學參數Table 1 Surrounding rock and its mechanical parameters of surrounding rock in the transport roadway of No.6208 working face

表2 接觸面位置及力學參數Table 2 Position and mechanical parameters of contact surface

圖1 巷道未支護圍巖變形Fig.1 Surrounding rock deformation in roadways before supporting

圖2 巷道支護后圍巖變形Fig.2 Surrounding rock deformation in roadways after supporting

由于錨索長度較長,貫穿了頂板巖層中建立的所有接觸面,故本文將錨索的受力情況作為分析對象進行詳細分析,錨索桿體受力曲線見圖3,0 m位置為錨頭位置,7.8 m為錨尾位置,0 m～1.8 m是錨索錨固段,1.8 m～7.8 m為錨索自由段。錨索錨固段拉力較小,近似等于預緊力130 kN,但在自由段錨索所承受的拉力普遍大于預緊力,這是巷道開挖和支護后圍巖應力調整的結果。桿體的拉力和剪力均在接觸面附近變大,接觸面處最大,接觸面前后拉力曲線近似對稱。桿體的剪力在離接觸面一定距離后普遍為0,但在距接觸面不足1 m的范圍內,剪力猛增至150 kN左右。從拉力和剪力曲線的整體分布來看,桿體錨尾處受力略比錨頭處大,即在淺部圍巖中的接觸面處桿體受力較大。

3 附加應力經驗公式的確定

因圍巖離層而形成錨桿附加應力的機理復雜,且影響因素及程度還不甚清晰透徹，若想在現階段精確找到錨桿附加應力的計算方法還不現實,但迫于地下工程中現場需要的緊迫,暫時找到一個簡單的經驗類公式還是可行的。與錨桿附近應力相關的參數較多,本文將其簡化假設為桿體的拉力(或剪力)主要與頂板巖層的垂直方向離層值(剪力取水平方向離層值)、離層面相鄰巖層強度(取兩者單軸抗壓強度的平均值)、原巖垂直應力(剪力取原巖水平應力)三者相關,依據上述假設可列下式:

將數值計算結果中的相關數據帶入上式,得:

由上述六個系數可知各因素的影響權重:1)在拉力公式中,第一個系數和第二個系數數值接近,前兩個影響因素對拉力的影響程度相當。第三個系數為負,表明圍巖強度越大,相鄰巖層離層對桿體產生的力越小。2)剪力公式中,三個系數相差很大,第一個系數最大,第三個系數其次,說明在桿體受剪力時,離層巖層的水平位移對剪力的影響最大。

圖3 錨索桿體受力曲線圖Fig.3 Stress curve of bolts

4 現場試驗

為了檢驗本文的研究成果是否能在實踐中真正起到指導現場工作的作用,在6210工作面運巷進行試驗。在工作面推進過程中,回采巷道的穩定狀況還會受到采動超前應力、采場圍巖結構以及巷道圍巖峰后本構關系等難以客觀模擬的問題的影響,故實際桿體所受的力必然比單個巷道的要大,通過本文計算得到的結果應乘以一定系數才能與實際相近。6210工作面頂板初次來壓后,設工作面煤壁處向外推30 m為試驗巷道,通過對各參數的監測計算后得出,理論計算值應乘以1.306 7才能與實際值相近。隨后相繼在運巷每30 m作為一段測試巷道,共2段。整理數據后發現桿體拉力值的準確率達93.112%,剪力值的準確率達86.926%,本文認為該研究成果可應用于現場實踐中。

桿體拉力(或剪力)的經驗公式需在確定的地質條件及圍巖應力環境下校正,之后才可以用于檢驗相近情況下的桿體受拉、受剪情況。若影響桿體受力的任一因素發生變化,例如地質構造附近,圍巖已表現出高水平應力特征,這時若再強行采用經驗公式必然不會起到對桿體安全監測的作用。

5 結束語

1)巷道圍巖中各巖層不協調變形出現離層后,圍巖單元格擠壓扭曲,位移曲線在離層面處斷開或跳躍至另一點不再連續光滑。

2)錨桿支護能夠有效地控制了圍巖變形和巖層離層現象的出現。

3)錨桿和錨索桿體在接觸面附近受力顯著變大。接觸面前后拉力曲線近似對稱,桿體的剪力在離接觸面一定距離后普遍為0。

4)巖層離層值和圍巖應力對桿體的拉力的影響程度相當,離層巖層的水平位移對剪力的影響最大。

5)本文初步建立了頂板離層附加應力經驗公式計算方法,并對相同地質條件下的類似巷道可有一定預測作用。在不同的地質條件需要分別建立后才可使用,不可以一概全。

[1] 鞠文君.錨桿支護巷道頂板離層機理與監測[J].煤炭學報,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.大斷面煤巷圍巖變形破壞規律及錨固技術研究[D].太原:太原理工大學,2013.

[3] 張百勝,康立勛,楊雙鎖.大斷面全煤煤巷層狀頂板離層變形模擬研究[J].采礦與安全工程學報,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,丁瀟.巷道頂板離層對錨桿載荷影響的彈性分析[J].煤炭科學技術,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] 賈喜榮.巖石力學與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學,2010.

(編輯: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

任進生(1989-),男,山西廣靈人,大學本科,從事煤礦生產方面的生產技術與管理工作。