大倾角煤层小煤柱巷道锚杆支护数值模拟研究

1、大倾角煤层小煤柱巷道锚杆支护数值模拟研究周 翔(甘肃华亭煤电股份公司东峡煤矿,甘肃华亭744100摘 要 通过对锚杆加固小煤柱护巷机理的分析,并模拟不同支护形式下小煤柱巷道的稳定性和围岩变形量,得出高强锚杆支护可有效控制巷道围岩变形,保证巷道安全和煤柱稳定,是小煤柱巷道最有效的支护形式。关键词 小煤柱巷道;锚杆支护;数值模拟中图分类号TD353 6文献标识码A文章编号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作者简介周 翔(1971-,男,甘肃林台人,采煤工程师,现任华亭煤电股份公司东峡煤矿矿长。大倾角特厚煤层综放工作面由于煤层倾角较大,回采引起的岩层移动、垮落与缓倾斜煤层开采有很大差别,从而支承压力分布就有自身的特殊性。而且由于风巷、机巷巷顶存有较薄的三角煤,造成顶板破碎,支护困难。东峡煤矿自2003年采用综放开采以来,矿井的经济效益和安全水平都有很大提高,但与之配套的巷道

5、支护技术却提高不大,倾斜分层综放开采的工作面巷道大部分采用的仍是过时的工字钢支架支护,致使巷道被压垮,经多次翻修才能勉强维持巷道断面。为了改善巷道支护状况,正在回采的37215-2工作面巷道采取了缩小巷道断面的办法,但巷道变形仍然严重,给行人、运输带来困难,并且由于断面过小,风速大,粉尘大,存在安全隐患。巷道支护问题已经成为影响工作面正常回采的瓶颈,严重阻碍了实现综放开采安全高效的目标,因此,改革巷道支护方式势在必行。1 锚杆加固小煤柱护巷机理根据弹塑性力学理论,物体在三向受压情况下的强度要高于双向受力状态时的强度。实验室试验表明,煤体试块的强度随着煤体试块的侧向约束力的增大而逐渐增大。根据实

6、验室试验结果,当煤块的侧向约束力为5M Pa 时,其平均强度比煤体试块的单轴抗压强度增大了3 5倍,达到了50MPa 。Regen 和M i k ula 对加固和非加固煤体试块的单轴抗压强度进行了对比试验研究。试验结果表明,采取了加固措施的煤体试块单轴抗压强度比没有采取加固措施的煤体试块单轴抗压强度提高了10%;锚杆加固的煤体试块破坏后边界部分仍保持相对完整,煤体试块破裂的边界部分通过锚杆与相对完整的核区部分联系在一起,这就为煤体核区提供了更高的侧向约束。锚杆安装后,当煤柱弱面发生扩张时,锚杆就会受到拉伸而对围岩产生约束力,阻止弱面扩张,煤柱由双向受力状态转变为三向受力状态,随着侧压增加,煤柱

7、极限强度相应增加,即锚杆锚固力增大,煤柱强度随之提高。研究结果表明,锚固支护可不同程度地提高煤岩强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。而且,锚杆的主要作用是改善破碎区和塑性区内煤岩的力学性质,提高其屈服后的强度。煤柱的残余强度对侧向压力十分敏感,随着侧向压力的增高,煤体的应变软化程度逐步降低,残余强度很快增大。侧向压力增加到一定数值时,残余强度表现出对侧向压力很强的敏感性,即侧向压60第14卷第4期(总第89期2009年8月煤 矿 开 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、残余强度快速增长。2 数值模拟分析2 1 模拟巷道地质状况东峡煤矿开采煤6-2下,煤层倾角平均为33 5 ,平均厚度5 5m,埋藏深度300m左右,煤层伪顶为炭质泥岩、油页岩,厚度为0 2m,薄层状、光滑、易冒落;煤层直接顶为泥岩与粉砂岩互层,岩性松软,厚度0 917 9m;煤层直接底为泥岩,岩性松软,厚度为0 517 3m。34211-6工作面所采煤层为煤6-2下,南部至井田边界,与南川煤矿毗临,北部至1140北一运输巷石门,与34212工作面相接。其顶部为34211-1,34211 -2,34211-3,34211-4,34211-5工作面采空区。工作面倾斜上部为32208,32209回采

9、工作面采空区,与34211-6工作面回风巷之间的阶段煤柱垂直距离为10m。数值模拟过程中煤岩层的物理力学性质按实验室测定数据或按岩性取经验平均值。如表1所示。2 2 数值模型建立表1 各岩层物理力学参数岩层名称密度/(kg m-3弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/M Pa内聚力/M Pa内摩擦角/( 厚度/m 煤6-2中_112558 780 476 022 59278 20砂质泥岩_1256840 50 364 042 43310 20煤6-2中_212558 780 476 022 59273 12砂质泥岩_2256840 50 364 042 43310 90煤6-2中_312558 78

10、0 476 022 59272 22炭质泥岩2510144 840 389 246 54211 90煤6-2下12558 780 476 022 59275 82泥岩2510144 840 389 246 54212 38煤6-312558 780 476 022 59271 56砂质泥岩_3256840 50 364 042 43312 58为同时满足计算精度和提高计算速度的需要,并消除边界约束的影响,模拟范围取X!Y!Z= 60m!5m!68m,模型共划分了13430个单元, 16734个节点。采用应力边界条件,模型上表面施加均匀的垂直压应力,模型两侧面施加随深度变化的水平压应力,模型下表

11、面垂直位移固定。为了真实反映巷道围岩变形特征,特别是岩石屈服后的力学行为,而又不致计算速度过慢,采用2种力学模型模拟岩层。一种是应变软化模型,模拟靠近巷道煤层。其他范围内的岩层采用摩尔-库仑模型。模型煤岩层之间的层理采用FLAC3D软件提供的I N TERFACE单元进行模拟。采用锚杆单元模拟锚杆,模型四周边界和底端均固定法向运动,顶端施加均匀载荷,载荷大小按下式确定:P=H g式中,P为模型顶端施加的均匀载荷,Pa;H为模型上方未模拟的煤岩层厚度,m; 为模型上方未模拟岩层平均密度,取2500kg/m3;g为重力加速度,取9 81m/s2。模型岩层分布如图1所示。2 3 模拟方案本次模拟主要

12、是分析不同支护形式对小煤柱巷道稳定性的影响,因此,以不同支护形式建立3个模型,即:无支护;棚式支护; 高强锚杆支护。图1 模型岩层分布3 模拟结果分析从模拟结果可以看出:(1周围工作面开采后,小煤柱巷道周围应力集中程度较高,应力集中系数最大达到了1 91。(2对比表2各变形量可以看出,巷道顶板和左帮变形较大,应加强支护。(3从表2可以看出:采用高强锚杆支护比采用棚式支护顶板下沉量减少20%,两帮移近量减少29 4%。表2 不同支护形式巷道变形量支护状况不支护/mm棚式支护/mm高强锚杆支护/mm 顶板下沉量6657 145 7左帮移近量80 371 549 1右帮移近量30 427 520 8

13、(下转4页61周 翔:大倾角煤层小煤柱巷道锚杆支护数值模拟研究2009年第4期研究托盘的合理形状和尺寸,达到既能和锚杆杆体强度相匹配,很好地实现锚杆预应力扩散,达到理想的支护效果,同时又可降低材料消耗。调心球垫的作用是在巷道表面不平整或锚杆安装不垂直巷道表面时用于调节托盘和锚杆的角度,避免锚杆受较大的弯矩而恶化锚杆受力条件,影响支护质量。目前,国内锚杆支护技术较发达的矿区大部分采用调心球垫,但一些欠发达矿区基本不采用调心球垫。在采用调心球垫的某些矿区,由于调心球垫设计不合理,起不到有效的调心作用,经常造成在巷道表面不平处锚杆和球垫发生严重挤压,锚杆受到较大的弯矩,进而造成锚杆在螺纹处破断的现象

14、(图4。因此,应加强锚杆调心球垫的形式及合理尺寸的研究,使锚杆在安装时能适应不同的条件,顺利实现调心作用,避免锚杆受较大的弯矩, 影响锚杆支护作用的发挥。图4 锚杆与调心球垫发生严重挤压现象减摩垫片是为了减小螺母与托盘或调心球垫之间的摩擦阻力和摩擦扭矩,最大限度地将锚杆安装扭矩转换为预应力,提高支护系统的刚度。根据实验室试验,加减摩垫片与不加减摩垫片相比,在同样的安装扭矩情况下,锚杆的预紧力可提高30%50%。因此,应研究与试验不同减摩材料、不同形状与尺寸的垫圈的减摩效果,以确定合理的减摩垫片的材质与尺寸。6 螺纹钢锚杆的预紧力锚杆的预紧力是影响锚杆支护效果关键因素,国外锚杆施加的预紧力一般为

15、锚杆杆体屈服载荷的50%75%。采用何种施工机具,如何施加高的预紧力是我国锚杆支护质量提高的关键。目前,我国一些大型矿区采用风动扳手对锚杆施加较高的预紧力,但由于受煤矿井下风压和风量不稳定的影响,一般很难达到设计要求的预紧力,同时大功率风动扳手体积和重量大,工人劳动强度较大。研制开发轻便、高效锚杆预紧设备是目前高预应力锚杆支护体系的迫切要求。高效锚杆预紧设备的研发成功,将大大促进高预应力锚杆支护技术的发展和应用。7 结束语高预应力强力锚杆支护是目前国内外锚杆支护的发展趋势,锚杆钢材也向高强度、高刚度的方向发展。在锚杆支护技术发展的同时,应充分重视锚杆加工质量及其配套构件的精细化研究,使每根锚杆

16、在支护过程中最大限度地发挥作用,在确保巷道安全的同时,降低支护材料消耗,提高成巷速度,为建设安全高效矿井做好服务。参考文献1王金华 我国煤巷锚杆支护技术的新发展J 煤炭学报,2007(2:113-1182康红普,王金华,林 健 高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用J 煤炭学报,2007(12:1233-12383康红普,姜铁明,高富强 预应力锚杆支护参数的设计J 煤炭学报,2008(7:721-7264林 健 高强度高刚度强力锚固支护体系在深部高应力软岩巷道的应用研究J 煤矿开采,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责任编辑:邹正立(上接61页4 结束语小煤柱巷道由于应力集中,煤柱较小,给支护带来很大困难。通过数值模拟,对比不同支护形式,得出高强锚杆支护可有效控制巷道围岩变形,保证巷道安全和煤柱稳定,是最有效的