深部松軟煤層巷道圍巖超前預(yù)加固優(yōu)化技術(shù)研究

1、深部松軟煤層巷道圍巖超前預(yù)加固優(yōu)化技術(shù)研究深部松軟煤層巷道圍巖超前預(yù)加固優(yōu)化技術(shù)研究摘要隨著開(kāi)采深度的增加，“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境使得深部煤層巷道圍巖結(jié)構(gòu)變得松軟、破碎。在此條件下開(kāi)掘巷道，往往容易出現(xiàn)大面積掉頂、折幫等工程事故，嚴(yán)重影響正常掘進(jìn)和安全生產(chǎn)。在掘巷前對(duì)巷道前方松散、破碎巖體進(jìn)行超前預(yù)加固處理，可以?xún)?yōu)化圍巖結(jié)構(gòu)，有效保證巷道圍巖強(qiáng)度，從而控制頂板或杜絕冒頂事故的發(fā)生。通過(guò)數(shù)值模擬的方法分別對(duì)單根錨桿和錨桿群的超前

2、預(yù)加固技術(shù)進(jìn)行了較全面的研究，對(duì)超前錨桿長(zhǎng)度、剛度及布設(shè)角對(duì)預(yù)支護(hù)加固效果的影響進(jìn)行了分析，對(duì)巷道圍巖超前預(yù)加固優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工具有重要的理論和實(shí)踐意義。關(guān)鍵詞深部巷道松軟煤層圍巖結(jié)構(gòu)超前預(yù)加固優(yōu)化技術(shù)隨著開(kāi)采深度的不斷加大，深部巷道處于“三高一擾動(dòng)”（高應(yīng)力、高地溫、高滲透壓和強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)）的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境之中[1]。深部工程巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造更加復(fù)雜，圍巖結(jié)構(gòu)更趨惡化。在此條件下開(kāi)掘巷道，深部巖體原有三向平衡應(yīng)力狀態(tài)遭到

3、破壞，容易使原本完整性較差的圍巖很快產(chǎn)生塑性大變形，巷道往往會(huì)發(fā)生大面積掉頂、折幫，影響正常掘進(jìn)和安全生產(chǎn)。根據(jù)軟巖工程施工經(jīng)驗(yàn)，在深部松散、破碎的巖體中開(kāi)掘巷道，為了有效地控制頂板或杜絕冒頂事故的發(fā)生，必須在掘巷前對(duì)其前方巖體進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)加固處理，從而達(dá)到圍巖結(jié)構(gòu)超前優(yōu)化的目的。錨桿支護(hù)可以改善圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)（如抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、粘聚力等）、提高圍巖的承載能力和減少變形，已應(yīng)用于土木工程的軟土超前加固和深部軟巖巷道超前

4、加固工程[2～6]。但至今對(duì)超前錨桿預(yù)支護(hù)的機(jī)理研究遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，對(duì)其機(jī)理研究多停留在定性的解釋上而缺少完整的理論體系和計(jì)算方法。本次研究在眾多學(xué)者的模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐分析及力學(xué)模型研究等研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)超前錨桿預(yù)支護(hù)機(jī)理的理論分析，采用大型有限元數(shù)值模擬程序，建立針對(duì)深部軟巖巷道開(kāi)挖過(guò)程中超前錨桿預(yù)支護(hù)作用的力學(xué)計(jì)算模型，對(duì)掘進(jìn)工作面動(dòng)態(tài)施工過(guò)程中超前錨桿與圍巖的相互作用過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)演化模擬分析，并設(shè)計(jì)不同的超前錨桿支護(hù)方

5、案，對(duì)超前預(yù)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行初步優(yōu)化，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。1圍巖結(jié)構(gòu)超前加固優(yōu)化機(jī)理超前錨桿預(yù)支護(hù)是根據(jù)組合拱支護(hù)原理，發(fā)揮錨桿主動(dòng)支護(hù)特點(diǎn)，在即將開(kāi)掘的巷道前上方巖體的原始應(yīng)力沒(méi)有或很少受到破壞之前，利用錨桿的預(yù)緊擠壓加固作用對(duì)其施加一定的預(yù)應(yīng)力，使掘進(jìn)工作面前巖體形成具有一定承載能力的擠壓加固拱，將松散的巖體組合起來(lái)，提高巖體的自承載能力和自身穩(wěn)定性，提高松散巖體的完整性，防止圍巖在開(kāi)本研究中將數(shù)值計(jì)算研究對(duì)象作為平面應(yīng)變問(wèn)題

6、處理，物理模型定為彈塑性模型，塑性屈服準(zhǔn)則選用MohrCoulomb準(zhǔn)則。（2）幾何模型及參數(shù)計(jì)算中為消除邊界效應(yīng)，以開(kāi)挖巷道跨度的10倍作為各模型的計(jì)算邊界，并將研究巷道布置于幾何模型的中心。采用階段分析方法，先通過(guò)重力平衡計(jì)算模擬原應(yīng)力狀態(tài)，然后進(jìn)行巷道開(kāi)挖、支護(hù)以及布設(shè)超前錨桿，隨后進(jìn)行巷道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖、支護(hù)模擬。在超前錨桿群預(yù)支護(hù)的模擬中，巷道動(dòng)態(tài)開(kāi)挖過(guò)程中按一定間距布設(shè)錨桿，按照“掘巷－布設(shè)超前錨桿－運(yùn)算－掘巷”的步驟進(jìn)行循環(huán)模擬

7、運(yùn)算。（3）邊界約束條件模型左、右邊界設(shè)為水平位移約束邊界（ux=0）下邊界設(shè)為全約束邊界（ux=0，uy=0），上邊界為零約束邊界。（4）應(yīng)力施加方案模型上邊界自由邊界，上部荷載直接作用于其上，大小等于覆巖自重。模擬中假設(shè)研究對(duì)象處于靜水應(yīng)力狀態(tài)，即所施加的水平應(yīng)力大小與豎直應(yīng)力（自重應(yīng)力）相等。2.3計(jì)算方案本次研究采用以下三種方案。方案一：錨桿直徑?為42mm、錨桿布設(shè)角α為80?；方案二：錨桿直徑?為42mm、錨桿布設(shè)角α為70

8、?；方案三：錨桿直徑?為20mm、錨桿布設(shè)角α為70?。三種方案中錨桿長(zhǎng)度L均為2000mm，錨固形式均為全長(zhǎng)錨固。通過(guò)直徑變化模擬不同剛度情況。然后基于單根錨桿超前支護(hù)模擬的初步優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行錨桿群超前支護(hù)模擬。3數(shù)值模擬結(jié)果與分析3.1單根超前錨桿作用機(jī)理分析對(duì)單根超前錨桿在深部軟巖巷道開(kāi)挖過(guò)程中不同階段的應(yīng)力分布大小和范圍，以及錨桿受力狀態(tài)的研究是超前錨桿作用機(jī)理的研究基礎(chǔ)。因此，分析不同直徑、不同布設(shè)角度的超前錨桿錨桿的受力狀況