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1、深部松软软煤层巷巷道围岩岩超前预预加固优优化技术术研究摘 要要 随随着开采采深度的的增加，“三高一扰动”的复杂地质力学环境使得深部煤层巷道围岩结构变得松软、破碎。在此条件下开掘巷道，往往容易出现大面积掉顶、折帮等工程事故，严重影响正常掘进和安全生产。在掘巷前对巷道前方松散、破碎岩体进行超前预加固处理，可以优化围岩结构，有效保证巷道围岩强度，从而控制顶板或杜绝冒顶事故的发生。通过数值模拟的方法分别对单根锚杆和锚杆群的超前预加固技术进行了较全面的研究，对超前锚杆长度、刚度及布设角对预支护加固效果的影响进行了分析，对巷道围岩超前预加固优化设计和施工具有重要的理论和实践意义。关键词 深部部巷道 松软软
2、煤层 围岩岩结构 超前前预加固固 优优化技术术随着开采采深度的的不断加加大，深深部巷道道处于“三高一一扰动”（高应应力、高高地温、高高渗透压压和强烈烈的开采采扰动）的的复杂地地质力学学环境之之中11。深部工工程岩体体节理、裂裂隙发育育，地质质构造更更加复杂杂，围岩岩结构更更趋恶化化。在此此条件下下开掘巷巷道，深深部岩体体原有三三向平衡衡应力状状态遭到到破坏，容易使原原本完整整性较差差的围岩岩很快产产生塑性性大变形形，巷道道往往会会发生大大面积掉掉顶、折折帮，影影响正常常掘进和和安全生生产。根根据软岩岩工程施施工经验验，在深深部松散散、破碎碎的岩体体中开掘掘巷道，为为了有效地控控制顶板板或杜绝绝
3、冒顶事事故的发发生，必必须在掘掘巷前对对其前方方岩体进进行超前前预支护护加固处处理，从从而达到到围岩结结构超前前优化的的目的。锚锚杆支护护可以改改善围岩岩的物理理力学指指标（如如抗压强强度、弹弹性模量量、泊松松比、粘粘聚力等等）、提提高围岩岩的承载载能力和和减少变变形，已已应用于于土木工工程的软软土超前前加固和和深部软软岩巷道道超前加加固工程程26。但但至今对对超前锚锚杆预支支护的机机理研究究远落后后于工程程实践，对对其机理理研究多多停留在在定性的的解释上上而缺少完完整的理理论体系系和计算算方法。本次研究在众多学者的模拟实验、现场实践分析及力学模型研究等研究成果的基础上，通过对超前锚杆预支护机
4、理的理论分析，采用大型有限元数值模拟程序，建立针对深部软岩巷道开挖过程中超前锚杆预支护作用的力学计算模型，对掘进工作面动态施工过程中超前锚杆与围岩的相互作用过程进行动态演化模拟分析，并设计不同的超前锚杆支护方案，对超前预支护参数进行初步优化，具有重要的理论价值和实践意义。1围岩结结构超前前加固优优化机理理超前锚杆杆预支护护是根据据组合拱拱支护原原理，发发挥锚杆杆主动支支护特点点，在即即将开掘掘的巷道道前上方方岩体的的原始应应力没有有或很少少受到破破坏之前前，利用用锚杆的的预紧挤挤压加固固作用对对其施加加一定的的预应力力，使掘掘进工作作面前岩岩体形成成具有一一定承载载能力的的挤压加加固拱，将将松
5、散的的岩体组组合起来来，提高高岩体的的自承载载能力和和自身稳稳定性，提高松散岩体的完整性，防止围岩在开挖后坍塌。超前锚杆杆通过托托盘和锚锚固端轴轴向的约约束，与与锚杆周周围的破破碎岩体体间形成成一个相相互作用用的挤压压区。在这个个挤压区区内，各各碎块之之间相互互阻碍其其移动，形形成一个个较稳定定的统一一体，并并与其它它锚杆形形成的统统一体相相互组合合，使掘掘进工作作面前方方顶板岩岩体形成成一个较较完整的的整体，其其一端与与已形成成的挤压压加固拱拱重叠，另另一端被被掘进工工作面前前方岩体体所支承承挤压，从从而使布布设在松松散、破破碎岩体体中的超超前锚杆杆与被联联结的碎碎裂岩块块组成一一个梁的的结
6、构，如如图1（a）所示。梁由完整未破裂到破裂乃至最终稳定，是一个由直梁到最终近似成抛物线、倒楔形弯曲变形的倒拱梁。这一倒拱梁在形成过程中伴随着上部破碎块体的调整（移动、转动），上部岩块在调整中形成新的承载体，达到新的拱平衡，如图1（b）所示。此外在巷道横断面内，沿周边的超前锚杆也组成类似倒拱梁形式的边界补充条件，如图1（c）所示。这种类似倒拱梁上部碎裂块体经必要的移动和转动，达到新的平衡，也形成新的平衡承载拱。因此，超超前锚杆杆预支护护机理可可解释为为：超前前锚杆与与破碎岩岩块组成成一个中中间部位位刚度低低的梁，而而沿巷道道周边的的这种梁梁在变形形过程中中调整上上部碎裂裂块体（移移动或转转动）
7、，使使其形成成三维的的拱壳结结构，从从而充分分发挥围围岩自承承能力，形形成人为为拱效应应，并随随时在外外部的扰扰动下进进行微小小的新调调整，达到超超前预支支护加固固围岩的的目的。倒拱梁横断面上碎裂块体组成的多级承载拱超前锚杆与破碎岩块组成的倒拱梁横断面（a） （b）（c）图1 超前锚锚杆与围围岩组成成联结体体的结构构示意图图2 数值值计算模模型在对围岩岩结构超超前预加加固优化化机理理理论初步步研究的的基础上上，为进进一步确确认和分分析超前前锚杆对对巷道围围岩结构构的预加加固优化化作用的的内在机机理，本本次研究究采用有有限元程程序对其其进行了了模拟分分析研究究，以期期获得对对围岩结结构的预预加固
8、优优化机理理的更全全面、更更科学的的解释。2.1 计算方方法超前锚杆杆预加固固作用与与巷道掘掘进施工工为一动动态过程程，揭示示在这一一动态过过程中超超前锚杆杆的受力力变化、巷巷道围岩岩的应力力分布的的动态演演化规律律来反映映超前锚锚杆与围围岩的相相互作用用，据此此研究超超前锚杆杆的内在在作用机机理。弹弹塑性空空间有限限元程序序2D-s作为一一个结构构应力分分析系统统能方便便地对锚杆、壳壳、梁等等支护体体进行设设定，并并能对工工程动态态问题中中的支护护体受力力状态、围围岩应力力变化规规律以及及塑性破破坏区发发育形态态等情况况进行很很好的模拟。本研究究采用该该程序进进行巷道道开挖过过程中超超前锚杆
9、杆的预加加固作用用机理研研究。2.2 数值计计算模型型的建立立（1）本本构方程程本研究中中将数值值计算研研究对象象作为平平面应变变问题处处理，物物理模型型定为弹弹塑性模模型，塑塑性屈服服准则选选用Moohr-Couulommb准则则。（2）几几何模型型及参数数计算中为为消除边边界效应应，以开挖挖巷道跨跨度的110倍作作为各模模型的计计算边界界，并将研研究巷道道布置于于几何模模型的中中心。采采用阶段段分析方方法，先先通过重重力平衡衡计算模模拟原应应力状态态，然后后进行巷巷道开挖挖、支护护以及布布设超前前锚杆，随随后进行行巷道动态态开挖、支支护模拟拟。在超超前锚杆杆群预支支护的模模拟中，巷巷道动态
10、态开挖过过程中按按一定间间距布设设锚杆，按按照“掘掘巷布布设超前前锚杆运算掘巷”的的步骤进进行循环环模拟运运算。（3）边边界约束束条件模型左、右边界界设为水水平位移移约束边边界（uux=0）,下边界界设为全全约束边边界（uux=0，uy=0），上上边界为为零约束束边界。（4）应应力施加加方案模型上边边界自由由边界，上上部荷载载直接作作用于其其上，大大小等于于覆岩自自重。模模拟中假假设研究究对象处处于静水水应力状状态，即即所施加加的水平平应力大大小与竖竖直应力力（自重重应力）相相等。2.3 计算方方案本次研究究采用以下下三种方方案。方案一一：锚杆杆直径f为为42mmm、锚锚杆布设设角为80；方方
11、案二：锚杆直直径f为42mmm、锚锚杆布设设角为70；方方案三：锚杆直直径f为20mmm、锚锚杆布设设角为70。三三种方案案中锚杆杆长度LL均为20000mmm，锚锚固形式式均为全全长锚固固。通过过直径变变化模拟拟不同刚刚度情况况。然后后基于单单根锚杆杆超前支支护模拟拟的初步步优化结结果，进进行锚杆杆群超前前支护模模拟。3 数值值模拟结结果与分分析3.1 单根超超前锚杆杆作用机机理分析析对单根超超前锚杆杆在深部部软岩巷巷道开挖挖过程中中不同阶阶段的应应力分布布大小和和范围，以以及锚杆杆受力状状态的研研究是超超前锚杆杆作用机机理的研研究基础础。因此此，分析析不同直直径、不不同布设设角度的的超前锚
12、锚杆锚杆杆的受力力状况，同同时也是是确定超超前锚杆杆最佳工工作状态态及参数数的首要要条件。3.1.1 模模拟方案案对比（1）模模拟方案案一图266和图77100分别为为方案一一模拟所所得单根根超前锚锚杆作用用时锚杆杆与相邻邻围岩的的X方向向应力sxx和Y方方向应力力sy分布图图。图2 打入超超前锚杆杆后sx应力图图（f =442mmm，a=800）图3 开挖11m后sx应力图图（f=422mm，a=800）图4 开挖22m后sx应力图图（f=422mm，a=800）图5 开挖33m后sx应力图图（f=422mm，a=800）图6 开挖44m后sx应力力图（f=422mm，a=800）图7 打入
13、超超前锚杆杆后sy应力图图（f=422mm，a=800）图8 开挖11m后sy应力图图（f=422mm，a=800）图9 开挖33m后sy应力图图（f=422mm，a=800） 图110 开挖44m后sy应力图图（f=422mm，a=800）从图中可可以看出出：在超前锚锚杆布设设初期，位于巷道围岩内部的超前锚杆的杆体部分产生压应力集中，而在锚杆尾部存在拉应力集中，如图2和图7所示。造成这一现象的原因可从两个方面进行分析：一方面由于锚杆安装预紧力以及巷道围岩对锚杆的挤压等共同作用造成围岩内部杆体产生压应力集中；另一方面，巷道开挖后围岩向巷道空间扩容，导致锚杆尾部产生拉应力集中现象。随着掘进进迎头
14、向向前推进进（开挖挖133m），锚锚杆杆体体上的拉拉应力集集中区逐逐步扩大大，且逐逐渐由锚锚杆的尾尾部向端端部转移移；相应应地压应应力集中中区逐渐渐减小，由由锚杆的的端部向向尾部转转移（图图355、图8、图9）。当当巷道进进尺超过过单根超超前锚杆杆在水平平方向上上的投影影长度时时，拉应应力集中中区主要要集中在在锚杆的的端部，而而在锚杆杆尾部产产生压应应力集中中。分析析其原因因，主要要是由于于锚杆尾尾部与巷巷道其它它支护体体共同作作用产生生承载能能力，阻阻止巷道道围岩下下沉，从从而产生生压应力力集中；随着巷巷道的往往前掘进进，巷道道顶部围围岩产生生松动、下下移，由由此锚杆杆与孔壁壁围岩间间的相互
15、互作用力力逐步向向深部（锚锚杆端部部）转移移。当迎迎头远离离超前锚锚杆端部部时，相相对而言言处于巷巷道顶板板深处的的锚杆端端部与孔孔壁围岩岩间仍存存在一定定的锚固固力。此时的的超前锚锚杆与围围岩间的的作用体体现在两两个方面面：一方方面，在在铅垂投投影方向向上，超超前锚杆杆可以近近似地看看作为一一根长度度为Lccosa的的端头锚锚固锚杆杆，承担担着对下下部松散散岩体的的悬吊作作用；另另一方面面，在水水平投影影方向上上则可以看看作是一一根长度度为Lssina的的简支梁梁，梁的的两端分分别被固固定在深深部锚固固端和尾尾部与其其它支护护体共同同作用点点，因为为顶板围围岩的下下沉及错错动，产产生下拽拽力作用用，结果果导致锚锚杆端部部产生拉拉应力集集中。随着掘进进迎头继继续推进进（开挖挖4m），锚锚杆端部部围岩拉拉应力集集中的范范围逐渐渐扩大，而而整个杆杆体则出出现压应应力集中中（图66、图110）。此此时超前前锚杆主主要是承承受阻止止巷道围围岩下沉沉错动而而产生的的挤压力力。当巷巷道掘进迎头推进到超超过超前前锚杆长长度2.5倍以以上时，应应力集中中程度及及范围基基本不再再扩展，即即该范围围为超前前锚杆作作用的临临界范围围。由此此可见，超超前锚杆杆不仅对对其前方方岩体起起到加固固作用，而而且随着着迎头继续续推进到到甚至
