深部煤礦巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的實(shí)驗(yàn)研究

柴銀亮

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦， 山西 太原 030000）

引言

隨著開采深度的不斷增加，大量采煤?jiǎn)栴}躍然而出。深度加大，圍巖的自重同樣增大，而巖石的力學(xué)性質(zhì)將會(huì)有一定的減弱，圍巖破碎造成巷道嚴(yán)重變形，這無疑會(huì)加大巷道的維護(hù)成本。為了解決深部巷道變形嚴(yán)重的問題，眾多國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。李金奎[1]為了解決巷道頂板出現(xiàn)冒頂及離層問題，提出了使用全錨索一次性支護(hù)的方案對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，通過后期驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，全錨索一次性支護(hù)對(duì)頂板的支護(hù)效果明顯，為深部巷道頂板支護(hù)做出一定的參考。安將文[2]通過分析深部巷道圍巖的變形情況，給出了深部巷道的支護(hù)方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到了支護(hù)前后圍巖的變形情況，發(fā)現(xiàn)支護(hù)后圍巖的穩(wěn)定性得到了極大的改善。賈穩(wěn)宏[3]針對(duì)深部巷道變形嚴(yán)重的問題，提出了預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿+柔性TECCO 網(wǎng)+ 注漿耦合支護(hù)技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)后有效地控制了巷道變形，降低了巷道維護(hù)成本。黃耀光[4]討論了深部巷道處于圍巖塑性破壞區(qū)注漿加固技術(shù)。通過COMSOL 數(shù)值模擬軟件研究注漿程度對(duì)支護(hù)的影響，研究發(fā)現(xiàn)注漿可以改善圍巖破碎區(qū)形態(tài)及位置，為巷道的支護(hù)提供參考。本文通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)深部巷道圍巖的支護(hù)作出了一定的研究，為深部煤層開采巷道支護(hù)提供一定的借鑒。

1 錨桿錨索作用機(jī)理

深部巷道錨桿支護(hù)常用構(gòu)件有托板、鋼帶、錨固劑、錨桿等，錨桿通過預(yù)緊力將各部件進(jìn)行連接，以此來達(dá)到控制圍巖變形、加強(qiáng)圍巖及頂板的承載能力。錨桿是錨桿支護(hù)中最為核心的部分，從其受力角度可以得出桿件主要發(fā)揮抗剪及抗拉作用。桿件既能提升巖體的穩(wěn)定性，也能防止巖層間的錯(cuò)動(dòng)。錨桿桿件作用示意圖如圖1 所示。

圖1 桿件作用示意圖

圍巖的穩(wěn)定性一般包括了圍巖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及應(yīng)力，為了提升深井圍巖的強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)貙?duì)煤巖進(jìn)行錨固是十分必要的。圍巖強(qiáng)度可以表示為：

式中：σ1與σ3分別為巖石強(qiáng)度和圍巖強(qiáng)度，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；C巖石黏結(jié)力，MPa。

預(yù)應(yīng)力即為錨桿對(duì)圍巖的預(yù)緊力，通過錨桿構(gòu)件之間的耦合將預(yù)緊力作用于圍巖中，以此來達(dá)到提升圍巖穩(wěn)定性的目的。錨桿給予巖層間抗拉及抗剪切力分別可以表示為：

式中：p0為錨桿的預(yù)緊力，MN；d為錨桿的直徑，mm；τ 為錨桿的抗剪強(qiáng)度，MPa；n為每排錨桿數(shù)；aτ為錨桿的排距，m；f為巖層的摩擦系數(shù)；B為深部巷道的寬度，m。

錨索支護(hù)是靠著彎曲柔性鋼絞線進(jìn)行支護(hù)，這種支護(hù)方式一般具有錨固深度大且預(yù)緊力較大等優(yōu)點(diǎn)。一般來說錨索支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度要高于普通錨桿支護(hù)的強(qiáng)度。錨索在支護(hù)頂板時(shí)起到懸吊的作用，通過錨索將頂板進(jìn)行連接增加其整體的穩(wěn)定性。

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)可以最大限度進(jìn)行支護(hù)，在我國(guó)許多礦山多采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的方法，這樣可以將錨桿和錨索的作用力有效地結(jié)合形成承載拱，其支護(hù)原理圖如圖2 所示。

圖2 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)示意圖

2 支護(hù)數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的效果，本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)未經(jīng)過支護(hù)巷道的變形量與經(jīng)過錨桿錨索支護(hù)后的巷道變形量進(jìn)行分析，首先對(duì)模型進(jìn)行建模。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料建立長(zhǎng)度和高度分別為200 m和8 m，沿巷道掘進(jìn)方向75 m 的三維模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)，充分考慮網(wǎng)格劃分的必要性，避免浪費(fèi)時(shí)間，所有在不影響模擬精度的前提下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型共包括了630597 節(jié)點(diǎn)和56.8 萬個(gè)單元。完成網(wǎng)格劃分后，按照地質(zhì)條件對(duì)模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，設(shè)定完成后，對(duì)模型進(jìn)行約束及載荷的設(shè)置，在模型的上邊界設(shè)定17 MPa 的壓應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)為1.05。限制模型水平方向的移動(dòng)。分別設(shè)定方案一未經(jīng)過支護(hù)，方案二采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，其中方案二中支護(hù)參數(shù)分別設(shè)定為：錨桿間排距為0.8 m×0.8 m；頂錨索的間排距為1.5 m×1.6 m；幫錨索間排距為0.9 m×0.8 m；錨桿長(zhǎng)度為3 m，直徑為20 mm，預(yù)應(yīng)力為100 kN；幫錨索的長(zhǎng)度為4 m，直徑為19.8 mm，預(yù)緊力為180 kN；頂錨索的長(zhǎng)度為6.2 m，直徑為21.8 mm，預(yù)緊力為220 kN。

圖3 圍巖垂直應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖4 圍巖垂直位移（m）分布云圖

圖3 為掘進(jìn)過程中巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，未經(jīng)支護(hù)尾牙和聯(lián)合支護(hù)圍巖均出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，同時(shí)由于巷道的布置為非對(duì)稱分布，所以應(yīng)力云圖也呈現(xiàn)出非對(duì)稱分布的趨勢(shì)。巷道最大垂直應(yīng)力出現(xiàn)偏向巷道右?guī)偷奈恢谩Ｔ谙锏赖乃慕俏恢贸霈F(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以看出巷道的四角為巷道支護(hù)的薄弱點(diǎn)，所以應(yīng)當(dāng)加以重視。經(jīng)過錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后，相較于未經(jīng)支護(hù)的頂?shù)装寮捌鋬蓭偷膽?yīng)力均有所改善，垂直應(yīng)力峰值都有所降低。此外隨著兩幫的支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)的深度增加，應(yīng)力出現(xiàn)的峰值位置會(huì)逐步向巷道的兩側(cè)進(jìn)行移動(dòng)，所以支護(hù)能夠改善圍巖的應(yīng)力環(huán)境。經(jīng)過錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后，應(yīng)力峰值較未經(jīng)過支護(hù)的峰值降低了14.3%，同時(shí)應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置較未經(jīng)支護(hù)峰值出現(xiàn)的位置偏移了1.17 m?？梢钥闯霾捎缅^索錨桿聯(lián)合支護(hù)對(duì)深部巷道的圍巖支護(hù)效果極佳。

圖4 為巷道掘進(jìn)過程中圍巖垂直位移分布云圖，圖4-1 中可以看出，巷道未經(jīng)支護(hù)時(shí)，頂板及點(diǎn)的最大位移量都偏向深部巷道的右?guī)头较颉２捎缅^桿錨索聯(lián)合支護(hù)后底板頂板的位移量明顯減小，但減小的幅度較低，這是由于支護(hù)對(duì)回填底板的控制效果較低。根據(jù)對(duì)其單點(diǎn)的變形量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)支護(hù)的巷道左幫最大位移量出現(xiàn)在左幫腰線的上端部，最大的位移量為108.44 mm，同樣的右?guī)偷淖畲笪灰屏砍霈F(xiàn)在右?guī)脱€上端部, 最大位移量為119.43 mm。對(duì)巷道進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)后左幫最大位移量出現(xiàn)在左幫腰線的上端部距離腰部，最大的位移量為45.12 mm，同樣的右?guī)偷淖畲笪灰屏砍霈F(xiàn)在右?guī)脱€上端部，最大位移量為44.98 mm。對(duì)比發(fā)現(xiàn)未經(jīng)過支護(hù)的巷道兩幫最大的位移量為227.84 mm，經(jīng)過聯(lián)合支護(hù)后兩幫的總位移量為90.1 mm，降低了60%。所以錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)可以有效地改善圍巖的應(yīng)力環(huán)境，并提升礦山的安全性[5]。

3 結(jié)論

1）通過對(duì)錨桿錨索作用機(jī)理進(jìn)行研究，給出了錨桿及錨索對(duì)深部巷道圍巖的作用機(jī)理，并給出了預(yù)緊力的計(jì)算方法。

2）利用FLAC-3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)未支護(hù)及錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的巷道圍巖垂直應(yīng)力進(jìn)行分析，得出經(jīng)過錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后應(yīng)力峰值較未經(jīng)過支護(hù)的峰值降低了14.3%，同時(shí)應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置較未經(jīng)支護(hù)峰值出現(xiàn)的位置偏移了1.17 m。

3）通過對(duì)巷道圍巖位移量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)過支護(hù)的巷道兩幫最大的位移量為227.84 mm，經(jīng)過聯(lián)合支護(hù)后兩幫的總位移量為90.1 mm。