周 瑋

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030000）

引言

煤炭資源是我國(guó)主要的能源消耗主題，統(tǒng)計(jì)表明，目前煤炭資源在我國(guó)一次性能源消耗中所占據(jù)的比例已經(jīng)達(dá)到七成以上，且在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間其在我國(guó)能源消耗的主導(dǎo)地位不會(huì)發(fā)生改變。隨著我國(guó)開采年限的不斷增加，煤礦開采面臨的地質(zhì)條件逐步復(fù)雜化，所以如何提升礦井開采安全性成為當(dāng)下熱門的研究對(duì)象[1-2]。為了提升巷道的成巷速度，降低采掘壓力，提出錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)不僅可以提升采煤與掘進(jìn)接替效果，同時(shí)能夠有效地保證巷道安全、高效開采[3-4]。但目前由于礦井地質(zhì)條件的不確定性，使得不同礦井的支護(hù)方案也大不相同，同時(shí)由于我國(guó)對(duì)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究較為缺乏，使我國(guó)很多礦井錨桿錨索出現(xiàn)不耦合現(xiàn)象，降低了煤礦的支護(hù)效果。所以本文以數(shù)值模擬軟件為研究對(duì)象，對(duì)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行一定的研究，為我國(guó)礦井支護(hù)提供一定的參考與借鑒。

1 模型建立

巷道原支護(hù)方案為錨網(wǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)，其中頂部的錨桿采用直徑為20 mm的左旋高強(qiáng)度螺紋錨桿，長(zhǎng)度為2 200 mm，布置的間排距為800 mm×800 mm；錨索采用鋼絞線錨索，直徑為17.8 mm、長(zhǎng)度為8 400 mm，布置間排距為1 900 mm×3 000 mm。左幫錨桿采用直徑為20 mm的玻璃鋼錨桿，長(zhǎng)度為1 800 mm，布置的間排距為750 mm×800 mm；右?guī)湾^桿采用直徑為16mm的普通錨桿，長(zhǎng)度為1800mm，布置的間排距為750 mm×800 mm，錨桿支護(hù)如圖1所示。

圖1 錨桿支護(hù)（單位：mm）

在原有的支護(hù)方案下，經(jīng)過(guò)對(duì)頂?shù)装暹M(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)（監(jiān)測(cè)時(shí)間為70 d），可以得出巷道的頂板下沉量和底板變形量分別為44.65 mm、24.01 mm，巷道兩幫移近量為78.2 mm。同時(shí)根據(jù)對(duì)頂板進(jìn)行離層監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，頂板存在離層現(xiàn)象，頂板在水平方向受到的應(yīng)力為8.59 MPa、在垂直方向受到的應(yīng)力為17.08 MPa，頂板錨桿的軸向受力為610 MPa，錨索為902 MPa。由此可以看出，巷道圍巖的變形量較大，對(duì)于巷道的穩(wěn)定性及安全性均有著不小的影響，所以對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分必要的。

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的支護(hù)理論不斷完善，錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)也逐步顯現(xiàn)出來(lái)。由于巷道圍巖變形具備很大的變性，所以單靠錨桿來(lái)實(shí)現(xiàn)圍巖的支護(hù)很難，此時(shí)通過(guò)錨索進(jìn)行圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可以將巷道的集中應(yīng)力逐步朝著巷道的深部轉(zhuǎn)移。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的作用機(jī)理是當(dāng)圍巖軟弱破碎時(shí)，此時(shí)錨桿錨索不是單獨(dú)加強(qiáng)，而是能夠互補(bǔ)單獨(dú)支護(hù)的不足，使得錨桿錨索支護(hù)的效果較好地結(jié)合，由于軟弱破碎圍巖支護(hù)初期圍巖變形大，此時(shí)單獨(dú)采用一種支護(hù)時(shí)極易造成支護(hù)失效，所以首先通過(guò)錨桿的擠壓使得圍巖與錨桿形成錨巖支護(hù)體。錨巖支護(hù)體具有一定的承載能力，使得圍巖在一定的變形范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。隨著圍巖變形量的增大，此時(shí)錨巖支護(hù)體的穩(wěn)定性降低，錨索會(huì)發(fā)生作用，使得錨巖支護(hù)體的穩(wěn)定性得以提升，降低了巷道圍巖的變形量。同時(shí)錨桿錨索支護(hù)體成功作用，使得圍巖頂板的抗變形能力大幅提升，能夠有效地降低頂板的冒落現(xiàn)象。

為了研究錨桿錨索的支護(hù)特性，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)錨桿錨索支護(hù)進(jìn)行研究，首先設(shè)定巷道斷面為矩形斷面，斷面的寬高分別為4 500 mm、2 900 mm，巷道的埋深為300 m，模型的長(zhǎng)、寬、高分別為40 m、4 m、40 m，網(wǎng)格的尺寸為0.3 m，劃分完成后共有84 320個(gè)網(wǎng)格及63 455個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)地質(zhì)資料將模型分為5層，依次分別為細(xì)粒砂巖、泥巖、煤、泥巖、粉砂巖。對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的設(shè)定，完成力學(xué)設(shè)定后對(duì)模型的約束進(jìn)行設(shè)置，對(duì)模型的四周施加固定約束，完成約束設(shè)定后對(duì)錨桿錨索進(jìn)行設(shè)定，巷道的兩幫選用直徑18 mm、長(zhǎng)度1 800 mm的玻璃鋼錨桿和直徑、長(zhǎng)度相同的普通錨桿，間排距均選定為750 mm×1 800 mm，每支錨桿選定一支Z2360型錨固劑，頂板選定直徑20 mm、長(zhǎng)度2 200 mm的高強(qiáng)螺紋錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，錨固劑為每支兩卷，同時(shí)頂板布置直徑與長(zhǎng)度為17.8 mm×6 000 mm的補(bǔ)強(qiáng)錨索，錨索的間排距為1 900 mm×3 000 mm，錨桿錨索的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 錨桿錨索力學(xué)參數(shù)對(duì)照

2 模擬計(jì)算

根據(jù)巷道埋深計(jì)算得出覆巖的自重為8.65 MPa，施加于模型上端均布載荷。當(dāng)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，將不同工況下的頂板受力及變形進(jìn)行匯總，繪制如圖2所示的不同工況應(yīng)力及位移曲線。

從圖2-1中可以看出：當(dāng)錨索的預(yù)應(yīng)力為100 kN時(shí)，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，頂板的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)略微增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)錨索的預(yù)應(yīng)力為200 kN時(shí)，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，巷道頂板的垂直應(yīng)力逐步降低，當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力為40 kN時(shí)，頂板垂直應(yīng)力為81.7 kN，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力增大至80 kN時(shí)，頂板垂直應(yīng)力降低為46.8 kN，降低幅度最大為42.7%。由此可以看出，當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，巷道頂板垂直應(yīng)力的降低不能只依靠于錨桿預(yù)應(yīng)力的增大。當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力相同時(shí)，隨著錨索預(yù)應(yīng)力的增大，巷道頂板的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為40 kN時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力100 kN和錨索預(yù)應(yīng)力200 kN相比于錨索預(yù)應(yīng)力300 kN，巷道垂直應(yīng)力分別增大50.5 kN和37.8 kN；同樣的，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力100 kN和錨索預(yù)應(yīng)力200 kN相比于錨索預(yù)應(yīng)力300 kN，巷道垂直應(yīng)力分別增大65.9 kN和31.7 kN；當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力為80 kN時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力100 kN和錨索預(yù)應(yīng)力200 kN相比于錨索預(yù)應(yīng)力300 kN，巷道垂直應(yīng)力分別增大67.1 kN和16.5 kN。

圖2 不同工況應(yīng)力及位移曲線

從圖2-2中可以看出，巷道頂板的位移量隨著錨索的預(yù)應(yīng)力增大而出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)巷道錨桿的預(yù)應(yīng)力為40 kN時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力200 kN和錨索預(yù)應(yīng)力300 kN較錨索預(yù)應(yīng)力100 kN分別降低0.14 mm和0.24 mm；當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力為60 kN時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力200 kN和錨索預(yù)應(yīng)力300 kN較錨索預(yù)應(yīng)力100 kN分別降低了0.19 mm和0.25 mm；當(dāng)錨桿的預(yù)應(yīng)力為80 kN時(shí)，在錨索預(yù)應(yīng)力200 kN和300 kN時(shí)出現(xiàn)反增長(zhǎng)，可以看出在錨桿預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，巷道頂板的變形量不會(huì)隨著錨索預(yù)應(yīng)力增大而一直減小。由此可以看出，當(dāng)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，選定合理的錨桿預(yù)應(yīng)力及錨索預(yù)應(yīng)力對(duì)于巷道頂板的穩(wěn)定性十分重要。從本次模擬可以得出，最佳的錨桿預(yù)應(yīng)力為60～80 kN，最佳的錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN。

對(duì)模擬出的結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，錨桿錨索布置方式與原支護(hù)方式類似，將錨桿的預(yù)應(yīng)力設(shè)定為60 kN、錨索的預(yù)應(yīng)力設(shè)定為200 kN，觀察巷道圍巖變形量及巷道應(yīng)力情況，監(jiān)測(cè)70 d的巷道圍巖變形。隨著工作面的推進(jìn)，巷道的兩幫位移變形量很小，僅為53.8 mm，較原有支護(hù)兩幫移近量78.2 mm降低了24.4 mm，巷道頂?shù)装宓淖冃瘟繛?8.8 mm，較原支護(hù)降低了19.86 mm。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)的選定進(jìn)行研究，給出了模型建立的過(guò)程，為后續(xù)的模擬研究打下穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

2）對(duì)不同錨桿預(yù)應(yīng)力及不同錨索預(yù)應(yīng)力下巷道頂板變形量及垂直應(yīng)力進(jìn)行研究，選定最佳的錨桿預(yù)應(yīng)力為60～80 kN，最佳的錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)給出了最佳錨桿預(yù)應(yīng)力、錨索預(yù)應(yīng)力下巷道的變形情況發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫變形量降低24.4 mm，頂?shù)装遄冃瘟拷档?9.86 mm。