大傾角煤層小煤柱巷道錨桿支護(hù)數(shù)值模擬研究

1、大傾角煤層小煤柱巷道錨桿支護(hù)數(shù)值模擬研究周 翔(甘肅華亭煤電股份公司東峽煤礦,甘肅華亭744100摘 要 通過對錨桿加固小煤柱護(hù)巷機(jī)理的分析,并模擬不同支護(hù)形式下小煤柱巷道的穩(wěn)定性和圍巖變形量,得出高強(qiáng)錨桿支護(hù)可有效控制巷道圍巖變形,保證巷道安全和煤柱穩(wěn)定,是小煤柱巷道最有效的支護(hù)形式。關(guān)鍵詞 小煤柱巷道;錨桿支護(hù);數(shù)值模擬中圖分類號TD353 6文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1006 6225(200904 0060 02Nu m erical Si m ulation of Anchored Bolt Supporting for Road way inS m all Coal P illar w

2、it h Large Incli n ed AngleZ HOU X iang(Dongxia Co lli ery ,G ansu H uati ng Coal&Po w er Co .,L t d ,H uati ng 744100,C hinaAbstrac t :T his paper ana l y zed suppo rting m echan i s m o f road w ay w it h anchored bo lt i n s m a ll coa l pillar and si m u lated roadway stab ili ty and surroun

3、ding rock s 'defor m ation of road way i n s ma ll coal pill a r .R esu lt show ed tha t anchored bo lt w ith high strength could control ef fecti ve l y defo r m ati on of surround i ng ro ck and anchored boltw as m ost effec ti ve suppo rti ng m anner for roadway safe and pillar stable .K ey w

4、ord s :road w ay i n s m all co al pillar ;ancho red bo lt suppo rti ng;nu m er ica l si m ulati on收稿日期2009-04-29作者簡介周 翔(1971-,男,甘肅林臺人,采煤工程師,現(xiàn)任華亭煤電股份公司東峽煤礦礦長。大傾角特厚煤層綜放工作面由于煤層傾角較大,回采引起的巖層移動、垮落與緩傾斜煤層開采有很大差別,從而支承壓力分布就有自身的特殊性。而且由于風(fēng)巷、機(jī)巷巷頂存有較薄的三角煤,造成頂板破碎,支護(hù)困難。東峽煤礦自2003年采用綜放開采以來,礦井的經(jīng)濟(jì)效益和安全水平都有很大提高,但與之配套的巷道

5、支護(hù)技術(shù)卻提高不大,傾斜分層綜放開采的工作面巷道大部分采用的仍是過時的工字鋼支架支護(hù),致使巷道被壓垮,經(jīng)多次翻修才能勉強(qiáng)維持巷道斷面。為了改善巷道支護(hù)狀況,正在回采的37215-2工作面巷道采取了縮小巷道斷面的辦法,但巷道變形仍然嚴(yán)重,給行人、運(yùn)輸帶來困難,并且由于斷面過小,風(fēng)速大,粉塵大,存在安全隱患。巷道支護(hù)問題已經(jīng)成為影響工作面正?；夭傻钠款i,嚴(yán)重阻礙了實現(xiàn)綜放開采安全高效的目標(biāo),因此,改革巷道支護(hù)方式勢在必行。1 錨桿加固小煤柱護(hù)巷機(jī)理根據(jù)彈塑性力學(xué)理論,物體在三向受壓情況下的強(qiáng)度要高于雙向受力狀態(tài)時的強(qiáng)度。實驗室試驗表明,煤體試塊的強(qiáng)度隨著煤體試塊的側(cè)向約束力的增大而逐漸增大。根據(jù)實

6、驗室試驗結(jié)果,當(dāng)煤塊的側(cè)向約束力為5M Pa 時,其平均強(qiáng)度比煤體試塊的單軸抗壓強(qiáng)度增大了3 5倍,達(dá)到了50MPa 。Regen 和M i k ula 對加固和非加固煤體試塊的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對比試驗研究。試驗結(jié)果表明,采取了加固措施的煤體試塊單軸抗壓強(qiáng)度比沒有采取加固措施的煤體試塊單軸抗壓強(qiáng)度提高了10%;錨桿加固的煤體試塊破壞后邊界部分仍保持相對完整,煤體試塊破裂的邊界部分通過錨桿與相對完整的核區(qū)部分聯(lián)系在一起,這就為煤體核區(qū)提供了更高的側(cè)向約束。錨桿安裝后,當(dāng)煤柱弱面發(fā)生擴(kuò)張時,錨桿就會受到拉伸而對圍巖產(chǎn)生約束力,阻止弱面擴(kuò)張,煤柱由雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài),隨著側(cè)壓增加,煤柱

7、極限強(qiáng)度相應(yīng)增加,即錨桿錨固力增大,煤柱強(qiáng)度隨之提高。研究結(jié)果表明,錨固支護(hù)可不同程度地提高煤巖強(qiáng)度、彈性模量、凝聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。而且,錨桿的主要作用是改善破碎區(qū)和塑性區(qū)內(nèi)煤巖的力學(xué)性質(zhì),提高其屈服后的強(qiáng)度。煤柱的殘余強(qiáng)度對側(cè)向壓力十分敏感,隨著側(cè)向壓力的增高,煤體的應(yīng)變軟化程度逐步降低,殘余強(qiáng)度很快增大。側(cè)向壓力增加到一定數(shù)值時,殘余強(qiáng)度表現(xiàn)出對側(cè)向壓力很強(qiáng)的敏感性,即側(cè)向壓60第14卷第4期(總第89期2009年8月煤 礦 開 采Coa lm i n i ng T echno l ogy V o1 14N o 4(Ser i es N o 89A ugust 2009力稍微增大,

8、殘余強(qiáng)度快速增長。2 數(shù)值模擬分析2 1 模擬巷道地質(zhì)狀況東峽煤礦開采煤6-2下,煤層傾角平均為33 5 ,平均厚度5 5m,埋藏深度300m左右,煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖、油頁巖,厚度為0 2m,薄層狀、光滑、易冒落;煤層直接頂為泥巖與粉砂巖互層,巖性松軟,厚度0 917 9m;煤層直接底為泥巖,巖性松軟,厚度為0 517 3m。34211-6工作面所采煤層為煤6-2下,南部至井田邊界,與南川煤礦毗臨,北部至1140北一運(yùn)輸巷石門,與34212工作面相接。其頂部為34211-1,34211 -2,34211-3,34211-4,34211-5工作面采空區(qū)。工作面傾斜上部為32208,32209回采

9、工作面采空區(qū),與34211-6工作面回風(fēng)巷之間的階段煤柱垂直距離為10m。數(shù)值模擬過程中煤巖層的物理力學(xué)性質(zhì)按實驗室測定數(shù)據(jù)或按巖性取經(jīng)驗平均值。如表1所示。2 2 數(shù)值模型建立表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)巖層名稱密度/(kg m-3彈性模量/GPa泊松比抗拉強(qiáng)度/M Pa內(nèi)聚力/M Pa內(nèi)摩擦角/( 厚度/m 煤6-2中_112558 780 476 022 59278 20砂質(zhì)泥巖_1256840 50 364 042 43310 20煤6-2中_212558 780 476 022 59273 12砂質(zhì)泥巖_2256840 50 364 042 43310 90煤6-2中_312558 78

10、0 476 022 59272 22炭質(zhì)泥巖2510144 840 389 246 54211 90煤6-2下12558 780 476 022 59275 82泥巖2510144 840 389 246 54212 38煤6-312558 780 476 022 59271 56砂質(zhì)泥巖_3256840 50 364 042 43312 58為同時滿足計算精度和提高計算速度的需要,并消除邊界約束的影響,模擬范圍取X!Y!Z= 60m!5m!68m,模型共劃分了13430個單元, 16734個節(jié)點(diǎn)。采用應(yīng)力邊界條件,模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力,模型兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力,模型下表

11、面垂直位移固定。為了真實反映巷道圍巖變形特征,特別是巖石屈服后的力學(xué)行為,而又不致計算速度過慢,采用2種力學(xué)模型模擬巖層。一種是應(yīng)變軟化模型,模擬靠近巷道煤層。其他范圍內(nèi)的巖層采用摩爾-庫侖模型。模型煤巖層之間的層理采用FLAC3D軟件提供的I N TERFACE單元進(jìn)行模擬。采用錨桿單元模擬錨桿,模型四周邊界和底端均固定法向運(yùn)動,頂端施加均勻載荷,載荷大小按下式確定:P=H g式中,P為模型頂端施加的均勻載荷,Pa;H為模型上方未模擬的煤巖層厚度,m; 為模型上方未模擬巖層平均密度,取2500kg/m3;g為重力加速度,取9 81m/s2。模型巖層分布如圖1所示。2 3 模擬方案本次模擬主要

12、是分析不同支護(hù)形式對小煤柱巷道穩(wěn)定性的影響,因此,以不同支護(hù)形式建立3個模型,即:無支護(hù);棚式支護(hù); 高強(qiáng)錨桿支護(hù)。圖1 模型巖層分布3 模擬結(jié)果分析從模擬結(jié)果可以看出:(1周圍工作面開采后,小煤柱巷道周圍應(yīng)力集中程度較高,應(yīng)力集中系數(shù)最大達(dá)到了1 91。(2對比表2各變形量可以看出,巷道頂板和左幫變形較大,應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。(3從表2可以看出:采用高強(qiáng)錨桿支護(hù)比采用棚式支護(hù)頂板下沉量減少20%,兩幫移近量減少29 4%。表2 不同支護(hù)形式巷道變形量支護(hù)狀況不支護(hù)/mm棚式支護(hù)/mm高強(qiáng)錨桿支護(hù)/mm 頂板下沉量6657 145 7左幫移近量80 371 549 1右?guī)鸵平?0 427 520 8

13、(下轉(zhuǎn)4頁61周 翔:大傾角煤層小煤柱巷道錨桿支護(hù)數(shù)值模擬研究2009年第4期研究托盤的合理形狀和尺寸,達(dá)到既能和錨桿桿體強(qiáng)度相匹配,很好地實現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散,達(dá)到理想的支護(hù)效果,同時又可降低材料消耗。調(diào)心球墊的作用是在巷道表面不平整或錨桿安裝不垂直巷道表面時用于調(diào)節(jié)托盤和錨桿的角度,避免錨桿受較大的彎矩而惡化錨桿受力條件,影響支護(hù)質(zhì)量。目前,國內(nèi)錨桿支護(hù)技術(shù)較發(fā)達(dá)的礦區(qū)大部分采用調(diào)心球墊,但一些欠發(fā)達(dá)礦區(qū)基本不采用調(diào)心球墊。在采用調(diào)心球墊的某些礦區(qū),由于調(diào)心球墊設(shè)計不合理,起不到有效的調(diào)心作用,經(jīng)常造成在巷道表面不平處錨桿和球墊發(fā)生嚴(yán)重擠壓,錨桿受到較大的彎矩,進(jìn)而造成錨桿在螺紋處破斷的現(xiàn)象

14、(圖4。因此,應(yīng)加強(qiáng)錨桿調(diào)心球墊的形式及合理尺寸的研究,使錨桿在安裝時能適應(yīng)不同的條件,順利實現(xiàn)調(diào)心作用,避免錨桿受較大的彎矩, 影響錨桿支護(hù)作用的發(fā)揮。圖4 錨桿與調(diào)心球墊發(fā)生嚴(yán)重擠壓現(xiàn)象減摩墊片是為了減小螺母與托盤或調(diào)心球墊之間的摩擦阻力和摩擦扭矩,最大限度地將錨桿安裝扭矩轉(zhuǎn)換為預(yù)應(yīng)力,提高支護(hù)系統(tǒng)的剛度。根據(jù)實驗室試驗,加減摩墊片與不加減摩墊片相比,在同樣的安裝扭矩情況下,錨桿的預(yù)緊力可提高30%50%。因此,應(yīng)研究與試驗不同減摩材料、不同形狀與尺寸的墊圈的減摩效果,以確定合理的減摩墊片的材質(zhì)與尺寸。6 螺紋鋼錨桿的預(yù)緊力錨桿的預(yù)緊力是影響錨桿支護(hù)效果關(guān)鍵因素,國外錨桿施加的預(yù)緊力一般為

15、錨桿桿體屈服載荷的50%75%。采用何種施工機(jī)具,如何施加高的預(yù)緊力是我國錨桿支護(hù)質(zhì)量提高的關(guān)鍵。目前,我國一些大型礦區(qū)采用風(fēng)動扳手對錨桿施加較高的預(yù)緊力,但由于受煤礦井下風(fēng)壓和風(fēng)量不穩(wěn)定的影響,一般很難達(dá)到設(shè)計要求的預(yù)緊力,同時大功率風(fēng)動扳手體積和重量大,工人勞動強(qiáng)度較大。研制開發(fā)輕便、高效錨桿預(yù)緊設(shè)備是目前高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)體系的迫切要求。高效錨桿預(yù)緊設(shè)備的研發(fā)成功,將大大促進(jìn)高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。7 結(jié)束語高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)是目前國內(nèi)外錨桿支護(hù)的發(fā)展趨勢,錨桿鋼材也向高強(qiáng)度、高剛度的方向發(fā)展。在錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展的同時,應(yīng)充分重視錨桿加工質(zhì)量及其配套構(gòu)件的精細(xì)化研究,使每根錨桿

16、在支護(hù)過程中最大限度地發(fā)揮作用,在確保巷道安全的同時,降低支護(hù)材料消耗,提高成巷速度,為建設(shè)安全高效礦井做好服務(wù)。參考文獻(xiàn)1王金華 我國煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展J 煤炭學(xué)報,2007(2:113-1182康紅普,王金華,林 健 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用J 煤炭學(xué)報,2007(12:1233-12383康紅普,姜鐵明,高富強(qiáng) 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計J 煤炭學(xué)報,2008(7:721-7264林 健 高強(qiáng)度高剛度強(qiáng)力錨固支護(hù)體系在深部高應(yīng)力軟巖巷道的應(yīng)用研究J 煤礦開采,2006(6:59-625N J Az i z ,H Jal a i far ,J Con cal ves Bolt Surface C on fi gurati onsand Load T rans f er M echan is m J Facu lt y of E ngi neeri ng Coal Operators C on f eren ce ,Un i versit y ofW ollongong Year 2006責(zé)任編輯:鄒正立(上接61頁4 結(jié)束語小煤柱巷道由于應(yīng)力集中,煤柱較小,給支護(hù)帶來很大困難。通過數(shù)值模擬,對比不同支護(hù)形式,得出高強(qiáng)錨桿支護(hù)可有效控制巷道圍巖變形,保證巷道安全和煤柱穩(wěn)定,是最有效的