深部松软煤层巷道围岩超前预加固优化技术研究

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1、深部松软煤层巷道围岩超前预加固优化技术研究摘要随着开采深度的增加，“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。关键词深部巷道

2、松软煤层围岩结构超前预加固优化技术随着开采深度的不断加大，深部巷道处于“三高一扰动”（高应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动）的复杂地质力学环境之中[1]。深部工程岩体节理、裂隙发育，地质构造更加复杂，围岩结构更趋恶化。在此条件下开掘巷道，深部岩体原有三向平衡应力状态遭到破坏，容易使原本完整性较差的围岩很快产生塑性大变形，巷道往往会发生大面积掉顶、折帮，影响正常掘进和安全生产。根据软岩工程施工经验，在深部松散、破碎的岩体中开掘巷道，为了有效地控制顶板或杜绝冒顶事故的发生，必须在掘巷前对其前方岩体进行超前预支护加固处理，从而达到围岩结构超前优化的目的。锚杆支

3、护可以改善围岩的物理力学指标（如抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力等）、提高围岩的承载能力和减少变形，已应用于土木工程的软土超前加固和深部软岩巷道超前加固工程[2～6]。但至今对超前锚杆预支护的机理研究远落后于工程实践，对其机理研究多停留在定性的解释上而缺少完整的理论体系和计算方法。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，

4、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围岩结构超前加固优化机理超前锚杆预支护是根据组合拱支护原理，发挥锚杆主动支护特点，在即将开掘的巷道前上方岩体的原始应力没有或很少受到破坏之前，利用锚杆的预紧挤压加固作用对其施加一定的预应力，使掘进工作面前岩体形成具有一定承载能力的挤压加固拱，将松散的岩体组合起来，提高岩体的自承载能力和自身稳定性，提高松散岩体的完整性，防止围岩在开挖后坍塌。超前锚杆通过托盘和锚固端轴向的约束，与锚杆周围的破碎岩体间形成一个相互作用的挤压区。在这个挤压区内，各碎块之间相互阻碍其移动，形成

5、一个较稳定的统一体，并与其它锚杆形成的统一体相互组合，使掘进工作面前方顶板岩体形成一个较完整的整体，其一端与已形成的挤压加固拱重叠，另一端被掘进工作面前方岩体所支承挤压，从而使布设在松散、破碎岩体中的超前锚杆与被联结的碎裂岩块组成一个梁的结构，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）

6、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，超前锚杆预支护机理可解释为：超前锚杆与破碎岩块组成一个中间部位刚度低的梁，而沿巷道周边的这种梁在变形过程中调整上部碎裂块体（移动或转动），使其形成三维的拱壳结构，从而充分发挥围岩自承能力，形成人为拱效应，并随时在外部的扰动下进行微小的新调整，达到超前预支护加固围岩的目的。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超前锚杆与围岩组成联结体的结构示意图2数值计算模型在对围岩结构超前预加固优化机理理论初步研究的基础上，

7、为进一步确认和分析超前锚杆对巷道围岩结构的预加固优化作用的内在机理，本次研究采用有限元程序对其进行了模拟分析研究，以期获得对围岩结构的预加固优化机理的更全面、更科学的解释。2.1计算方法超前锚杆预加固作用与巷道掘进施工为一动态过程，揭示在这一动态过程中超前锚杆的受力变化、巷道围岩的应力分布的动态演化规律来反映超前锚杆与围岩的相互作用，据此研究超前锚杆的内在作用机理。弹塑性空间有限元程序2D-s作为一个结构应力分析系统能方便地对锚杆、壳、梁等支护体进行设定，并能对工程动态问题中的支护体受力状态、围岩应力变化规律以及塑性破坏区发育形态等情况进行很好的模拟。本研究

8、采用该程序进行巷道开挖过程中超前锚杆的预加固作用机理