深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研究

1、第26卷 第5期 岩石力学与工程学报 Vol.26 No.5 2007年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2007深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研究孙晓明1，杨 军1，曹伍富2(1. 中国矿业大学 岩土工程研究所，北京 100083；2. 北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037)摘要：针对深部巷道围岩在开挖与支护时所表现出的非线性力学过程特性，对锚网索耦合支护时空规律进行数值模拟与工程应用研究。研究结果表明，在巷道实施锚网耦合支护后，在围岩剧烈变形阶段结束或临近结束的时间施加锚索关键部位耦合支护

2、，是实现锚索与锚网和围岩之间时空耦合的最佳二次支护时间，其主要特征是通过锚索调动深部围岩强度实现巷道围岩高应力向低应力的转化；同时，实施锚网索耦合支护的深部回采巷道能够满足巷道掘进与工作面回采期间的稳定性控制要求。关键词：采矿工程；深部回采巷道；锚网索耦合支护；时空作用规律；数值模拟中图分类号：TD 353 文献标识码：A 文章编号：10006915(2007)05089506RESEARCH ON SPACE-TIME ACTION RULE OF BOLT-NET-ANCHORCOUPLING SUPPORT FOR DEEP GATEWAYSUN Xiaoming1，YANG Jun1，

3、CAO Wufu2(1. Institute of Geotechnical Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2. Beijing MTR Construction Management Co.，Ltd.，Beijing 100037，China)Abstract：Aiming at the characters of nonlinear mechanical process for surrounding rock in deep gateway excavation and

4、 support，the space-time action rule of bolt-net-anchor coupling support is researched by numerical simulation method and engineering application. The result indicates that，after the gateway surrounding rock is reinforced by the bolt-net coupling support，the optimal secondary support time to realize

5、the space-time coupling among anchor，bolt-net and surrounding rock is that when the obvious deformation stage of the surrounding rock is completed or almost completed. Its main character is the transformation from high stress concentration to low stress zone through mobilizing the strength of inner

6、surrounding rock by anchor coupling support. The gateway with bolt-net-anchor coupling support can meet the requirements of the stability control during gateway excavation and coal extraction.Key words：mining engineering；deep gateway；bolt-net-anchor coupling support；space-time action rule；numerical

7、simulation支护(以钢架、木支架支护为代表)发展到主动支护(以锚网、锚索支护为代表)1。然而，深部“三高一扰动”(即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动)的复杂地质力学环境，使得深部岩体表现出1 引 言 随着开采深度的增加，巷道支护技术已从被动收稿日期：20061116；修回日期：20070101基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB202200)；国家自然科学基金资助项目(50490273，50544009，50221402)；教育部科学技术研究重大项目(10405)作者简介：孙晓明(1970)，男，博士，2002年于中国矿业大学(北京)岩土工程专业获博

8、士学位，现任副教授，主要从事岩土工程和软岩工程力学等方面的教学与研究工作。E-mail：xiaoming_s 896 岩石力学与工程学报 2007年明显的非线性大变形力学特性2，从而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围岩的稳定性，严重影响了深部煤炭资源的安全、高效开采3。为此，国外学者46对深部开采巷道的地压及其控制措施进行了大量研究；国内学者710也相继提出了松动圈理论、大弧板理论、联合支护理论等。近年来，锚网索支护技术的研究与应用，对于解决深部采准巷道围岩稳定性控制问题具有明显的效果1114。但是，由于在实施过程中只强调锚索支护的强度，往往会造成锚索拉断失效，无法有效控制巷道围岩的稳定性，严

9、重的还会造成巷道顶板大面积垮落等安全事故。其主要原因是深部巷道围岩变形过程具有明显的非线性力学特性，其稳定性控制与各种支护实施的过程、强度密切相关。因此，只有掌握锚索与围岩二次耦合支护时空作用规律，才能实现锚索与锚网、围岩在结构、强度上的耦合，充分发挥锚索调动深部围岩强度，实现对浅部围岩变形的控制作用1418。2 计算模型及模拟方案深部回采巷道的掘进与支护、支护与围岩变形及应力分布等问题均为动态的三维时空问题，在以往的研究中通常将这些问题简化为平面问题进行研究，因而与工程实际情况不相符，难以获得支护与围岩间时空规律。为了克服以往研究中的不足，研究中采用FLAC3D程序进行三维建模，进行巷道的动

10、态开挖与支护，对深部回采巷道锚网索耦合支护时空关系进行研究。 2.1 工程地质模型本次研究结合兖州南屯煤矿九采区深部93上02工作面顺槽巷道的具体工程地质条件进行。该巷道工程最大埋深达720 m，位于3上煤层中，工作面上顺槽与采空区相邻，其间采用留设小煤柱的方法掘巷，巷道断面尺寸为4.2 m×3.0 m(宽×高)，为煤层巷道。煤层厚度为4.55.8 m，且上软中碎下硬的三元结构，上部煤层厚度为2.73.0 m，中部厚度为1.0 m，下部厚度为0.81.8 m，煤层走向为10°左右，倾向倾角为15°左右。为了使巷道避开上部破碎煤体，将巷道破3上煤层底板砂岩

11、掘进。巷道直接顶为泥质粉砂岩，老顶为粉细砂岩互层，之上依次为泥岩、中砂岩等岩层；直接底为泥质粉砂岩，之下的底板岩层依次为粉细砂岩互层、3煤层、中细砂岩互层以及粉细砂岩互层等岩层，具体的工程地质模型如图1所示。顶、底板砂岩块裂结构煤体碎裂结构煤体松散结构煤体图1 工程地质模型Fig.1 Engineering geological model2.2 计算模型及参数本次计算模型网格剖分立体图如图2所示，其几何尺寸为：204 m×132 m×123 m(长×宽×高)。网格单元均采用四边形等参单元，计算模型共剖分为71 852个单元，总节点数为77 832。图2

12、 计算模型网格剖分立体图Fig.2 Diagram of grid generation of calculating model模型的边界条件为：以93上02工作面上顺槽所在的3上煤层上方84 m岩层处作为上边界，3上煤层以下33.4 m处作为下边界，93上02工作面上顺槽向93上01采空区方向70 m(受计算模型网格划分的影响，93上01工作面采空区模拟宽度为50 m，其左侧设定边界煤柱尺寸为20 m)处作为左边界，93上02工作面下顺槽向背离工作方向20 m处作为右边界。其中，93上02工作面的模拟开采宽度为100 m。模型在工作面推进方向的模拟长度为132 m，在推进方向上以模拟的起点

13、和终点分别作为前、后边界。根据现场地质资料，作用在上边界沿y轴方向的初始地应力为16.5 MPa(模型边界所处埋深的地应力水平)，下部荷载按照自重应力梯度递增，水平应力按照集中系数1.0进行施加。模拟材料本构模型选用莫尔库仑弹塑性模型，同时在计算中通过将塑性应变值与软化的内摩擦角、黏聚力对应来考虑围岩的应变软化。计算模型中所用的岩石物理力第26卷 第5期 孙晓明，等. 深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研究 897 学参数见表1。表1 岩石物理力学参数表Table 1 Physico-mechanical parameters of rocks岩层名称 密度 体积模量 剪切模量 黏聚力内摩

14、擦角/(kg·m3) /MPa /MPa /MPa/(°) 中砂岩 2 550 19 20012 100 4.3 45.0 细砂岩 2 600 21 60014 200 5.0 48.0 泥 岩 2 460 4 5101 730 2.0 23.0 粉细砂岩互层 1 360 19 57012 890 2.3 45.0 粉砂岩 2 460 5 5102 990 3.7 30.0 中细砂岩互层 1 360 21 00013 220 4.6 46.5 煤 层1 4403 8461 0950.818.02.3 支护参数巷道断面形式为直墙半圆拱形，墙高为1 m，拱高为2 m，宽为4 m

15、；采用 22×2 500 mm螺纹锚杆和间排距为800 mm×600 mm的 6.5钢筋网；采用长度为6.0 m、直径为15.8 mm的锚索，按“232”排列方式布置，间排距为2.0 m(或 1.6 m)× 2.0 m。 2.4 模拟方案本次研究所采用的模拟方案如下：(1) 巷道的分步开挖，并采用锚网紧跟模拟开挖单元的迎头进行支护。(2) 采用设定在不同断面上的节点位移跟踪监测方法，确定巷道围岩变形趋于稳定的时段(距迎头距离)，即确定锚索二次耦合支护的合理时间。(3) 依据模拟中确定的二次支护时段，进行关键部位锚索二次耦合支护，通过围岩位移的跟踪监测，查看施工锚索

16、支护以后巷道围岩的稳定性。(4) 进行工作面回采模拟，确定锚网索耦合支护受回采动压影响时的支护效果。3 模拟结果分析3.1 锚网索耦合作用时空规律巷道开挖实施锚网索耦合支护后巷道周边最大、最小主应力分布如图3所示，应力集中产生在巷道顶板中间靠左两侧部位(受岩层倾角影响)，此处即为锚索耦合支护的关键部位。巷道周边最大主应力为17.240 MPa，应力集中系数k = 1.31，最小主应力达26.019 MPa，应力集中系数k = 1.98。随着巷道的掘进，其受开挖扰动影响的应力集中范围大致为25 m(见图4)，巷道围岩变形也可在此界限分为变形剧烈阶段和变形逐渐平缓阶段(见图5)，此(a) 最大主应

17、力(单位：Pa)(b) 最小主应力(单位：Pa)图3 锚网支护后巷道周边主应力分布图 Fig.3 Principal stress distribution around gateway afterreinforced by bolt-mesh support25 m图4 锚网支护后竖直应力分布图 Fig.4 Vertical stress distribution of gateway supported bybolt-mesh supportmm/量形变距迎头距离/m图5 锚网支护后围岩变形量距迎头距离曲线 Fig.5 Displacement-distance curves of gat

18、eway afterreinforced by bolt-mesh support 898 岩石力学与工程学报 2007年时锚杆的支护能力已得到充分发挥。根据锚网索耦合支护理论15，16可以确定，实施锚索二次耦合支护的最佳空间距离为距迎头2530 m，此时对应监测断面开挖支护后的运算时步数为4 0005 000，转化为实际开挖时间则为3 d左右。在距迎头25 m实施锚索二次耦合支护后，巷道周边主应力分布如图6所示。(a) 最大主应力(单位：Pa)(b) 最小主应力(单位：Pa)图6 二次耦合支护后巷道周边主应力分布图 Fig.6 Principal stress distribution ar

19、ound gateway afterreinforced by anchor coupling support从图6中可以看出，巷道周边的应力分布状态有明显改善，而且应力集中区范围及其数值均比原先锚网支护条件下有明显减小。同时，掘进工作面后方应力集中程度明显降低(见图7)，巷道围岩变形基本得到控制(见图8)，表明锚索支护通过调动了深部围岩的强度，从而起到了对浅部围岩的控制作用；同时，实现了前方高应力向低应力的转化。 3.2 回采动压影响下巷道稳定性分析对于工作面顺槽巷道，一个成功的支护不仅应满足掘进期间的稳定，同时，在回采期间工作面超前支撑压力作用下，巷道围岩变形量能够被控制在允许变形范围之内

20、，从而保证了巷道在回采期间的正常使用。为此，对回采动压影响下锚网索耦合支护巷道的稳定性进行了数值模拟分析。回采期间工作面周围应力分布如图9所示。从25 m锚网耦合支护锚索二次耦合支护图7 锚索二次耦合支护后竖直应力分布图 Fig.7 Vertical stress distribution of gateway after reinforcedby anchor coupling supportmm/量形变距迎头距离/m图8 锚索二次耦合支护后围岩变形量距迎头距离曲线 Fig.8 Displacement-distance curves of gateway afterreinforced b

21、y anchor coupling support采上顺槽空工作面推进方向下顺槽区图9 回采期间工作面周围应力分布图Fig.9 Stress distribution around working face during stopping图9中可以看出，工作面回采期间，受上区段工作面采空区影响，工作面上、下顺槽两侧前方超前支承压力影响范围呈不对称分布，其中靠上顺槽侧受超前支承压力影响范围超过80 m，剧烈影响范围为30 m。超前支承压力峰值(沿工作面中部)位于工作面前方1020 m，应力峰值大小为24.626.5 MPa，应力集中系数k = 1.882.02。回采工作面推进前方竖直应力变化曲线

22、如图10所示。第26卷 第5期 孙晓明，等. 深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研究 899 aPM/力应直竖距工作面距离/m图10 回采工作面推进前方竖直应力变化曲线 Fig.10 Change curve of vertical stress in front of stoppingworking face从图10中可以看出，沿工作面推进方向可以划分为：超前影响区(距工作面距离大于80 m)、剧烈影响区(距工作面距离为30 m)；峰值区(距工作面距离为2010 m)。采用锚网索耦合支护的沿空顺槽巷道顶板最大下沉量为97 mm，实体煤帮和煤柱帮的最大累计位移分别为406和324 mm，实

23、体煤帮最终累计位移最大(见图11)。巷道总体变形量满足回采期间巷道使用要求，表明锚网索耦合支护形式能够有效保证巷道掘进与回采期间的巷道稳定性。mm/移位距工作面距离/m 图11 回采工作面推进前方巷道围岩位移变化曲线 Fig.11 Change curves of displacement of gatewaysurrounding rock in front of stopping working face4 应用效果将上述研究成果应用于兖州南屯煤矿。掘进期间巷道围岩表面位移距离曲线如图12所示。从图12中可以看出，掘进工作面正常掘进3 d(距掘进工作面后方25 m处)施加锚索二次耦合支护后

24、，巷道围岩变形基本得到控制，并趋于稳定。此时，巷道围岩总体变形规律与数值模拟结果基本一致。 回采期间巷道围岩位移变化曲线如图13所示。从图13中可以看出，工作面回采动压超前影响范围为7080 m，剧烈影响范围为30 m；巷道顶底板位mm/移位距迎头距离/m 图12 掘进期间巷道围岩表面位移距迎头距离曲线 Fig.12 Displacement-distance curves of gateway duringtunnelingmm/移位距工作面距离/m图13 回采期间巷道围岩位移变化曲线Fig.13 Displacement curves of gateway surrounding rock

25、during stopping移最大为456 mm，两帮位移最大为518 mm；巷道两帮的位移速度大于顶底板的位移速度，最大值发生在距工作面10 m的范围。巷道位移在允许的变形范围之内，不影响巷道在回采期间的正常使用，巷道位移监测结果与数值模拟研究结果基本吻合。5 结 论通过深部加采巷道锚索二次耦合支护时空作用规律的数值模拟与应用研究可以得出以下结论：(1) 掘进期间实施锚网耦合支护后，在巷道围岩剧烈变形阶段结束或临近结束的时间，施加锚索关键部位二次支护，能够在充分释放围岩变形能的基础上，实现锚索与锚网和围岩之间的最佳时空耦合。(2) 锚索二次耦合支护后，可以通过调动深部围岩强度实现巷道围岩高

26、应力向低应力的转化。(3) 实施锚网索耦合支护的深部回采巷道，能够承受工作面回采期间超前采动压力的影响，巷道围岩变形基本可以控制在正常使用的要求范围之内。 900 岩石力学与工程学报 2007年参考文献(References)：1 何满潮，钱七虎. 深部岩体力学基础研究综述C/ 第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集. 北京：科学出版社，2006：4962.(HE Manchao，QIAN Qihu. Summary of basic research on rock mechanics at great depthC/ Proceedings of the 9th Rock Mechanic

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28、2 813.(in Chinese)3 RUSSO-BELLO F，MURPHY S K. Longwalling at great depth in ageologically disturbed environment the way forwardJ. The Journal of South African Institute of Mining and Matallurgy，2000，100(2)：91100.4 SCHWEITZER J K，JOHNSON R A. Geotechnical classification ofdeep and ultra-deep Wifwater

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