錨索桁架對(duì)沿空掘巷幫部支護(hù)效果數(shù)值模擬研究

武濤 李婧

摘 要：為了研究錨索桁架對(duì)沿空掘巷幫部的支護(hù)控制效果，利用FLAC3D分析程序進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，比較了錨索桁架和單體錨索對(duì)巷道兩幫支護(hù)的效果。結(jié)果表明錨索桁架支護(hù)形式能夠在巷道兩幫中部產(chǎn)生較大的水平和垂直壓應(yīng)力，從而能有效防止巷幫的片幫及內(nèi)擠變形。數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)錨索桁架支護(hù)在深部巷道中的應(yīng)用具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：沿空掘巷;錨索桁架;支護(hù)效果;數(shù)值模擬

1 緒論

在煤炭的地下開采中，為了減少資源浪費(fèi)和提高煤礦的開采效益，通常需要盡可能地減小采煤工作面兩側(cè)的煤柱尺寸，留窄煤柱沿空掘巷是一個(gè)優(yōu)先方法。然而，與實(shí)體煤巷道相比，沿空掘巷方法巷道支護(hù)存在著較多的不利因素。[1-3]隨著采煤深度的增加，深井沿空掘巷的礦壓比中淺部更為嚴(yán)重，巷道維護(hù)更加困難。[4-7]錨索桁架支護(hù)技術(shù)興起于預(yù)拉力錨桿技術(shù)，于1967年在美國(guó)的煤礦業(yè)中最早得到成功應(yīng)用，隨后在多個(gè)國(guó)家的地下工程中得到推廣，并于上世紀(jì)80年代末開始在國(guó)內(nèi)得到使用和推廣。錨索桁架主要由錨索和拉桿組成（如圖1所示），將兩根錨索錨固在穩(wěn)定的巖層中，在錨索的末端，連接水平拉桿，并施加一定的預(yù)應(yīng)力以形成支護(hù)整體。

為了研究錨索桁架對(duì)沿空掘巷幫部的支護(hù)效果，本文利用數(shù)值模擬的方法分別研究錨索桁架及單體錨索對(duì)沿空掘巷兩幫進(jìn)行支護(hù)后，兩幫圍巖中的應(yīng)力演化規(guī)律。

2 數(shù)值模擬建模

沿空巷道由于同時(shí)受上區(qū)段工作面的側(cè)向支承壓力影響以及本工作面的超前支承壓力作用，巷道的圍巖變形較大，裂隙相對(duì)發(fā)育破碎，利用可以求解非線性大變形問題的模擬軟件較為適宜，因此選取FLAC3D作為數(shù)值計(jì)算的模擬軟件。煤礦某軌道順槽，一側(cè)沿上區(qū)段采空區(qū)邊緣留設(shè)了5m寬的窄煤柱，巷道沿著底板掘進(jìn)，沿空掘巷斷面的尺寸為寬×高=5.0m×40m。同時(shí)考慮到兩側(cè)采區(qū)（各100m）及邊界煤柱的尺寸，計(jì)算模型的幾何尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=250m×120m×60m。模型的四個(gè)側(cè)面是水平位移約束，底面是豎直位移約束，模型的上部施加垂直載荷模擬上覆巖體的重量。兩幫錨索桁架的斜錨索長(zhǎng)度為4.0m，錨索鉆孔端之間的間距為2.5m，斜錨索與垂直方向的夾角為45°;兩幫單體錨索的長(zhǎng)度為4.0m，鉆孔末端之間的距離為2.5m。兩種支護(hù)形式中錨索的預(yù)緊力均為150kN。

3 結(jié)果分析

圖2為幫錨索桁架支護(hù)與單體錨索支護(hù)情況下的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布圖，據(jù)圖可以得出在兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)下預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的分布特征明顯不同，主要表現(xiàn)為：

（1）預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的擴(kuò)散模式明顯不同。錨索桁架支護(hù)的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)散方式如下：兩幫錨索桁架以斜向錨索與拉桿預(yù)緊力的合力作用點(diǎn)為擴(kuò)散中心。單體錨索的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的擴(kuò)散方式是以錨索尾部預(yù)緊力的加載點(diǎn)為各自的擴(kuò)散起始點(diǎn)，大致呈橢圓形分別向兩側(cè)擴(kuò)散到圍巖深處。

（2）預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的作用范圍明顯不同。錨索桁架支護(hù)中，預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的作用范圍集中在錨索間一定深度的圍巖體中，影響范圍較大。單體錨索支護(hù)中的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的范圍主要集中在圍巖中一定寬度的窄條帶內(nèi)，且一般以錨索為中心向外擴(kuò)散。

如圖3所示為沿空巷道中兩幫部不同支護(hù)結(jié)構(gòu)下圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布圖。

兩種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在錨索尾部附近，最大垂直壓應(yīng)力值差別很大，約為105.1kPa，最大水平壓應(yīng)力值差別不大，約為18.5kPa。單體錨索進(jìn)行支護(hù)時(shí)，在巷幫錨索尾部出現(xiàn)最大水平壓應(yīng)力值約為77.1kPa;巷幫中間的水平壓應(yīng)力值接近0，約為0.49kPa;錨索桁架進(jìn)行支護(hù)時(shí)，在巷幫錨索尾部出現(xiàn)的最大水平壓應(yīng)力值約為58.7kPa，略小于單體錨索支護(hù)時(shí)的壓應(yīng)力值，但在巷幫中部的水平壓應(yīng)力值約為698kPa，則是單體錨索支護(hù)時(shí)的14倍。綜合以上分析可見，桁架錨索對(duì)于沿空掘巷幫部圍巖的支護(hù)控制效果明顯優(yōu)于普通的單體錨索。

4 結(jié)論

（1）在錨索桁架和單體錨索預(yù)應(yīng)力作用下，巷道兩幫圍巖中的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)擴(kuò)散方式有明顯不同，預(yù)應(yīng)力場(chǎng)的作用范圍相差也較大。錨索桁架支護(hù)結(jié)構(gòu)以斜錨索和拉桿預(yù)緊力的合力作用點(diǎn)為擴(kuò)散中心，且預(yù)應(yīng)力場(chǎng)具有較大的作用范圍。

（2）在單體錨索支護(hù)作用下，在錨索尾部附近可以產(chǎn)生較大的水平壓應(yīng)力，然而，在巷道兩幫的中部，形成的水平和垂直壓力值很小并且接近于0。單體錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較小的影響范圍。

（3）在錨索桁架支護(hù)作用下，不僅可以在錨索尾部產(chǎn)生較大的水平和垂直壓應(yīng)力。更重要的是能夠在巷道幫部的中間位置處提供數(shù)十倍于單體錨索支護(hù)時(shí)的壓應(yīng)力，從而能夠有效防止巷幫片幫及內(nèi)擠變形現(xiàn)象的產(chǎn)生。

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作者簡(jiǎn)介：武濤（1983-），男，河北邢臺(tái)人，本科，工程師，研究方向?yàn)榈V井建設(shè)與巷道支護(hù)。