一、概述
根據(jù)煤礦巷道的特點,借鑒國外先進技術(shù)經(jīng)驗,某研究團隊提出錨桿支護動態(tài)信息設(shè)計法。動態(tài)信息法具有兩大特點:其一,設(shè)計不是一次完成的,而是一個動態(tài)過程;其二,設(shè)計充分利用每個過程中提供的信息,實時進行信息收集、信息分析與信息反饋。
該設(shè)計方法包括五部分:巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估、初始設(shè)計、井下監(jiān)測、信息反饋與修正設(shè)計。
圍巖地質(zhì)力學(xué)評估包括圍巖強度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、井下環(huán)境評價及錨固性能測試等內(nèi)容,為初始設(shè)計提供可靠的基礎(chǔ)參數(shù);初始設(shè)計以數(shù)值計算方法為主,結(jié)合已有經(jīng)驗和實測數(shù)據(jù)確定出比較合理的初始設(shè)計;將初始設(shè)計實施于井下,進行詳細的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測;根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判斷初始設(shè)計的合理性,必要時修正初始設(shè)計。正常施工后應(yīng)進行日常監(jiān)測,保證巷道安全。
二、巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估
巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估是在地質(zhì)力學(xué)測試基礎(chǔ)上進行的。包括以下幾方面:
1.巷道圍巖巖性和強度。包括煤層厚度、傾角、抗壓強度;頂?shù)装鍘r層分布,強度。
2. 地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)。巷道周圍比較大的地質(zhì)構(gòu)造,如斷層、褶曲等的分布,對巷道的影響程度。巷道圍巖中不連續(xù)面的分布狀況,如分層厚度和節(jié)理裂隙間距的大小,不連續(xù)面的力學(xué)特性等。
3. 地應(yīng)力。包括垂直主應(yīng)力和兩個水平主應(yīng)力,其中最大水平主應(yīng)力的方向和大小對錨桿支護設(shè)計尤為重要。
4.環(huán)境影響。水文地質(zhì)條件,涌水量,水對圍巖強度的影響,瓦斯涌出量,巖石風(fēng)化性質(zhì)等。
5.采動影響。巷道與采掘工作面、采空區(qū)的空間位置關(guān)系,層間距大小及煤柱尺寸;巷道掘進與采動影響的時間關(guān)系(采前掘進、采動過程中掘進、采動穩(wěn)定后掘進);采動次數(shù),一次采動影響、二次或多次采動影響等。
6.粘結(jié)強度測試。采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強度。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。測試應(yīng)采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷,分別在巷道頂板和兩幫設(shè)計錨固深度上進行三組拉拔試驗。粘結(jié)強度滿足設(shè)計要求后方可在井下施工中采用。
初始設(shè)計前所需的原始數(shù)據(jù)如表1所列。
表1 地質(zhì)力學(xué)評估內(nèi)容
三、初始設(shè)計方法
錨桿支護初始設(shè)計采用數(shù)值模擬計算結(jié)合其它方法確定。通過數(shù)值模擬計算,可分析巷道圍巖位移、應(yīng)力及破壞范圍分布,支護體受力狀況;不同因素對巷道圍巖變形與破壞的影響,不同支護參數(shù)對支護效果的影響;通過方案比較,確定比較合理的支護參數(shù)(如錨桿長度、直徑、間排距等)。對于數(shù)值模擬不太好反映的參數(shù),如鉆孔直徑、組合構(gòu)件參數(shù)等采用其它方法確定。
1.數(shù)值模擬計算方法
隨著計算技術(shù)的迅速發(fā)展,有限元、離散元及有限差分等數(shù)值方法已廣泛應(yīng)用于巷道支護設(shè)計。它們在解決非圓形、非均質(zhì)、復(fù)雜邊界條件的巷道支護設(shè)計方面顯示出較大的優(yōu)越性,而且可以同時進行眾多方案的比較,從中選出合理方案。目前,用于巷道支護設(shè)計的數(shù)值模擬方法主要有三種:
(1)有限元法
在各種有限元計算機軟件中,把連續(xù)介質(zhì)或物體表示為一些單元的集合。這些單元可認為是在一些稱之為節(jié)點的指定結(jié)合點處彼此連接。這些節(jié)點通常是置于單元的邊界上,并認為相鄰單元就是在這些節(jié)點上與它相連的。由于不知道連續(xù)介質(zhì)內(nèi)部的場變量(如位移、應(yīng)力、溫度、壓力或速度)的真實變化,所以先假設(shè)有限元內(nèi)場變量的變化可用一種簡單的函數(shù)來近似描述。這些近似函數(shù)可以由場變量在結(jié)點處的值來確定。當對整個連續(xù)介質(zhì)寫出場方程組(如平衡方程組)時,新的未知量就是場變量的結(jié)點值。求解方程組即得場變量的結(jié)點值,繼而求出整個單元集合體的場變量,最終求得位移和應(yīng)力的近似解。
目前,有多種有限元軟件,如NASTRAN、ABAQUS、ADINA、ALGOR、ANSYS等,國內(nèi)外巖土工程方面ANSYS軟件應(yīng)用比較多。ANSYS軟件有自己的語言(APDL),具備一般計算機的所有功能,用戶可用變量的形式建立模型,可在其它環(huán)境下編程。有限元法主要適用于模擬連續(xù)介質(zhì)。
(2)離散元方法
離散元法是Cundall于1971年提出的,該法適用于研究在準靜力或動力條件下的節(jié)理系統(tǒng)或塊體集合的力學(xué)問題。近年來,離散元法有了長足的發(fā)展,已成為解決巖土力學(xué)問題的一種重要數(shù)值方法。
有限元法、有限差分法、邊界元法等數(shù)值方法是建立在連續(xù)性假設(shè)基礎(chǔ)上的。然而,當煤巖體形態(tài)和結(jié)構(gòu)呈強烈的非連續(xù)性,煤巖塊體的運動和受力為幾何或材料非線性時,用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)進行求解顯然是不適合的,需要用別的方法解決。離散元法充分考慮結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性,適用于解決節(jié)理化巖石力學(xué)問題。離散元法能夠分析變形連續(xù)和不連續(xù)的多個物體相互作用問題、物體斷裂問題以及大位移和大轉(zhuǎn)動問題,能夠處理范圍廣泛的材料本構(gòu)關(guān)系、相互作用準則和任意幾何形狀。離散元法的這些特點非常適用于類似煤巖體的非連續(xù)體。
離散單元法也像有限元法那樣,將區(qū)域劃分為單元。但是,單元因受節(jié)理等不連續(xù)面的控制,在以后的運動過程中,單元節(jié)點可以分離,即一個單元與相鄰單元可以接觸,也可以分開,單元之間想互作用的力可以根據(jù)力和位移的關(guān)系求出,而個別單元的運動則完全根據(jù)該單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運動定律確定。離散單元法是一種顯式求解的數(shù)值方法,顯式法不需要形成矩陣,因此可以考慮大的位移和非線性,而不必花費額外的計算時間。
UDEC、3-DEC等二維、三維離散元軟件已經(jīng)在我國得到應(yīng)用,在分析頂板垮落、頂煤冒落、節(jié)理化巷道圍巖穩(wěn)定性與支護設(shè)計等方面取得良好效果。
(3)有限差分法
差分法是一種最古老的數(shù)值計算方法,但是隨著現(xiàn)代數(shù)值計算手段的飛速發(fā)展,賦予差分法更多的功能和更廣的應(yīng)用范圍。
目前應(yīng)用比較廣泛的FLAC軟件(二維、三維),可模擬土、巖石等材料的力學(xué)行為。它采用顯式拉格朗日算法及混合離散劃分單元技術(shù),使該程序能夠精確地模擬材料的塑性流動和破壞。FLAC采用顯式解法,可模擬任意非線性力學(xué)問題,而所用機時與解線性問題相差無幾。FLAC不需要存貯矩陣,在不增加很大內(nèi)存要求的情況下可計算含大量單元的模型。因為沒有剛度矩陣不斷更新,所以大變形與小變形計算的機時消耗無明顯區(qū)別。FLAC內(nèi)部含有多個力學(xué)模型,如摩爾-庫侖模型、應(yīng)變硬化/軟化模型、節(jié)理模型及雙屈服模型等,用以模擬高度非線性、不可逆等地質(zhì)材料的變形特征。除此之外,F(xiàn)LAC還有多種特殊功能:FLAC中含有界面單元,可以模擬巖層中不連續(xù)面,如斷層、節(jié)理及層理等滑動和離層;FLAC中含有四種結(jié)構(gòu)單元,分別為梁、錨桿、樁及支柱單元,可以模擬各種支護構(gòu)件。錨桿單元是一種一維軸向單元,在一定拉力下屈服。錨固方式可以是端錨、全長錨固或任意長度錨固,這種單元還可以施加預(yù)緊力。FLAC內(nèi)部還有一種編程語言FISH。運用FISH語言,用戶可編制自己的函數(shù)、變量,甚至引入自定義力學(xué)模型,顯著擴大了FLAC的應(yīng)用范圍和靈活性。有限差分法適用于模擬連續(xù)介質(zhì)非線性、大變形問題。
2.數(shù)值模擬步驟
采用數(shù)值模擬方法進行錨桿支護設(shè)計一般按以下步驟進行:
(1)確定巷道的位置與布置方向:巷道位置與布置方向一般根據(jù)煤層條件、井田和采區(qū)劃分、回采工作面布置及采煤方法等因素確定。在近水平煤層條件下,如果能考慮地應(yīng)力對巷道穩(wěn)定性的影響,將十分有利于巷道維護。一方面,盡量將巷道布置在比較穩(wěn)定的煤巖體中和應(yīng)力降低區(qū);另一方面,應(yīng)將巷道布置在受力狀態(tài)有利的方向。如當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行,巷道受水平應(yīng)力的影響最小,有利于頂?shù)装宸€(wěn)定;當巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直,巷道受水平應(yīng)力的影響最大,頂?shù)装宸€(wěn)定性最差。
(2)確定巷道斷面形狀與尺寸:根據(jù)運輸設(shè)備尺寸、通風(fēng)、行人要求和巷道圍巖變形預(yù)留量,設(shè)計合理的巷道斷面形狀與尺寸。對于回采巷道,斷面形狀應(yīng)優(yōu)先選擇矩形,以滿足回采工作面快速推進的要求。
(3) 建立數(shù)值模型:根據(jù)巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件,確定模型模擬范圍、模型網(wǎng)格及邊界條件,選擇合理的模擬圍巖和支護體的力學(xué)模型。
(4)確定模擬方案:根據(jù)模擬對象確定模擬方案。一般包括無支護巷道,不同巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角、不同煤柱尺寸護巷,不同錨桿直徑、長度、強度和支護密度,及有無錨索,錨索密度、長度、強度等支護方案。
(5)模擬結(jié)果分析:分析巷道圍巖變形與破壞的特征,地應(yīng)力大小與方向、煤柱尺寸對圍巖穩(wěn)定性的影響,錨桿、錨索支護密度、直徑、長度和強度等參數(shù)對支護效果的影響,通過多方案比較,最后選擇有效、經(jīng)濟、便于施工的支護方案。
四、錨桿支護形式和參數(shù)及選擇原則
1.錨桿支護形式與參數(shù)
錨桿支護形式與參數(shù)主要包括以下內(nèi)容:
(1) 錨桿種類(螺紋鋼錨桿,圓鋼錨桿,其它錨桿);
(2) 錨桿幾何參數(shù)(直徑、長度);
(3) 錨桿力學(xué)參數(shù)(屈服強度、抗拉強度、延伸率);
(4) 錨桿密度,即錨桿間、排距;
(5) 錨桿安裝角度;
(6) 鉆孔直徑;
(7) 錨固方式(端部錨固,加長錨固,全長錨固)和錨固長度;
(8) 錨桿預(yù)緊力矩或預(yù)應(yīng)力;
(9) 鋼帶形式、規(guī)格和強度;
(10) 金屬網(wǎng)形式、規(guī)格和強度;
(11) 錨索種類;
(12) 錨索幾何參數(shù)(直徑、長度);
(13) 錨索力學(xué)參數(shù)(抗拉強度、延伸率);
(14) 錨索密度,即錨索間、排距;
(15) 錨索安裝角度;
(16) 錨索孔直徑,錨固方式和錨固長度;
(17) 錨索預(yù)緊力;
(18) 錨索組合構(gòu)件形式、規(guī)格和強度。
2.錨桿支護形式與參數(shù)選擇原則
針對我國煤礦巷道地質(zhì)與生產(chǎn)條件,特別是復(fù)雜困難條件巷道,為了充分發(fā)揮錨桿支護的作用,提出以下設(shè)計原則:
(1) 一次支護原則。錨桿支護應(yīng)盡量一次支護就能有效控制圍巖變形,避免二次或多次支護,以及巷道維修。一方面,這是礦井實現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求,就回采巷道而言,要實現(xiàn)采煤工作面的快速推進,服務(wù)于回采的順槽應(yīng)在使用期限內(nèi)保持穩(wěn)定,基本不需要維修;對于大巷和硐室等永久工程,更需要保持長期穩(wěn)定,不能經(jīng)常維修。另一方面,這是錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳,而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿,支護效果會受到顯著影響。
(2) 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護中的關(guān)鍵因素,是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數(shù),只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護才是真正的主動支護,才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。一方面,要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力;另一方面,通過托板、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴散,擴大預(yù)應(yīng)力的作用范圍,提高錨固體的整體剛度,保持其完整性。
(3) “三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度)、剛度(提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長或全長錨固),保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下,降低支護密度,減少單位面積上錨桿數(shù)量,提高掘進速度。
(4) 臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度,如果支護強度與剛度低于臨界值,巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài),圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此,設(shè)計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應(yīng)大于臨界值。
(5) 相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件,包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配,錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配,以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。
(6) 可操作性原則。提供的錨桿支護設(shè)計應(yīng)具有可操作性,有利于井下施工管理和掘進速度的提高。
(7) 在保證巷道支護效果和安全程度,技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下,做到經(jīng)濟合理,有利于降低巷道支護綜合成本。
五、井下監(jiān)測與信息反饋及修正設(shè)計
初始設(shè)計實施于井下后,必須進行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測,這也是動態(tài)信息法中的一項主要內(nèi)容。監(jiān)測的目的是獲取巷道圍巖和錨桿的各種變形和受力信息,以便分析巷道的安全程度和修正初始設(shè)計。井下監(jiān)測主要包括圍巖位移、圍巖應(yīng)力、錨桿(索)受力監(jiān)測。
獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)以后,應(yīng)從眾多數(shù)據(jù)中選取修改、調(diào)整初始設(shè)計的信息反饋指標。指標應(yīng)能比較全面地反映巷道支護狀況,同時具有可操作性。將實測數(shù)據(jù)與信息反饋指標比較,就可判斷初始設(shè)計的合理性,必要時修正初始設(shè)計。
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