深井巷道围岩地应力分布规律测试及控制技术

2013-08-16李士栋

山东工业技术 2013年11期

关键词：主应力锚索锚杆

李士栋

(肥城矿业集团单县能源有限责任公司，山东单县274300)

0 工程概况

根据原岩应力测点布置的基本原则，依据陈蛮庄煤矿井下的开拓布置情况，在现有巷道揭露范围内选择了四个测点进行原岩应力实测，编号分别为CMZSC-1、CMZSC-2、CMZSC-3、CMZSC-4，测点绝对深度941.7m。

实测表明最大水平应力方向与巷道掘进方向的夹角较大，最大水平应力对巷道稳定性影响较大。根据实测的原岩应力，采用数值模拟方法进一步探求原岩应力与锚杆支护强度的关系，为巷道支护提供科学依据。

支护系统的成功关键是锚杆支护参数设计要合理，支护参数包括锚杆长度、锚杆间排距、锚杆直径、锚杆型号等。巷道围岩松散破碎范围是决定锚杆长度的重要因素，原则上讲，锚杆的长度应该足以锚固到松散破碎范围以外的一定深度。

1 支护系统数值模拟分析

采用大型岩土类三维分析软件3D-FSM·DDM 间接边界元数值系统对巷道开挖后，对采用不同支护方式巷道的围岩力学特征进行数值模拟，具体数值计算模型及方案如下：

根据原岩应力第一测点（CMZSC-1）的地质条件，建立测点周围西翼回风大巷的数值计算模型。巷道断面为直墙半圆拱形，其形状尺寸断面净宽为4.0m，净高为3.6m。方案1 采用锚网喷支护（断面布设14根Φ18mm×1.8m 锚杆），方案2 采用锚网喷+锚索支护（断面布设14 根Φ20mm×2.4m 锚杆，同时增加3 根Φ17.8mm×6.3m锚索）。

考虑到边界效应和计算速度因素，最终计算模型长度为20m，模型共有720 个单元，378 个节点。方案1 每个断面布设14 根（Φ18mm×1.8m）锚杆，锚杆共有1680 个单元，1960 个节点；方案12 每个断面布设14 根（Φ20mm×2.4m）锚杆+3 根（Φ17.8mm×6.3m）锚索，锚杆共有1680 个单元，1960 个节点，锚索有360 个单元，480 个节点。为了更好地模拟锚杆支护沿着不同方向支护的围岩力学特征，本次数值模拟模型在巷道周边施加原岩应力测点CMZSC-1 实测的原岩应力测试参数，方案施加的原岩应力参数见表1。

2 不同支护方式下的巷道力学作用模拟分析

2.1 不同支护方式下的巷道主应力矢量对比分析

巷道开挖后采用锚网喷支护和锚网喷+锚索耦合支护两种支护方式下，巷道周边围岩主应力矢量对比分析：当模型采用锚网喷支护时，巷道周边围岩较支护之前主应力有所减小，左侧顶板的最大主应力减小为12.11MPa；当模型采用锚网喷+锚索相耦合的支护方式后，巷道周边围岩较支护之前主应力有较明显的减小，左侧顶板的最大主应力减小为6.47MPa，降幅较大，说明采用锚网喷+锚索耦合支护方式更能有效控制巷道变形。

2.2 不同支护方式下的巷道位移矢量对比分析

巷道开挖后采用锚网喷支护（断面布设14 根Φ18mm×1.8m 锚杆）和锚网喷+锚索耦合支护（断面布设14 根Φ20mm×2.4m 锚杆+3 根Φ17.8mm×6.3m 锚索）两种不同的支护方式下，巷道周边围岩位移矢量对比分析：当模型采用锚网喷支护时，巷道周边围岩较支护之前位移矢量有所减小，左侧顶板的最大位移矢量减小为18.9mm；当模型采用锚网喷+锚索相耦合的支护方式后，巷道周边围岩较支护之前位移矢量有较明显的减小，左侧顶板的最大位移矢量减小为9.43mm，降幅较大，说明采用锚网喷+锚索耦合支护方式更能有效控制巷道变形。

2.3 不同支护方式巷道稳定性对比分析

图1 不同支护方式下的巷道稳定性对比分析图

图1 为巷道开挖后采用锚网喷支护和锚网喷+锚索耦合支护两种不同的支护方式下，巷道周边围岩稳定性对比分析图。当模型采用锚网喷支护时，巷道周边围岩的塑性区和破坏区均有不同程度的减小，同时巷道左侧顶板和巷道右侧出现了部分拉应力区；当模型采用锚网喷+锚索相耦合的支护方式后，巷道周边围岩塑性区和破坏区较支护之前有较明显的减小，同时巷道左侧顶板和右侧底板区域出现大面积的拉应力区，说明采用锚网喷+锚索耦合支护方式更能有效控制巷道变形。