深部煤礦巷道錨固體錨桿協(xié)同支護試驗研究

常 桐

（西山煤電集團有限責任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

隨著煤炭開采的不斷增加，深部巷道開采煤炭越來越多，因為深部巷道所受的應力較高，巷道及煤層變形也更加明顯，因此研究深部巷道的變形以及支護有著重要的意義。陳旭光等以淮南礦區(qū)丁集煤礦深部巷道工程為研究對象，通過對現(xiàn)場檢測和模型試驗研究，分析了分區(qū)破裂現(xiàn)象的主要特征和變化規(guī)律，指出分區(qū)破裂是與洞室呈同心圓的環(huán)狀拉破壞斷裂，為深部巷道圍巖變形破壞機理提供了重要的意義[1]；張建華等以大雁二礦為研究背景，通過設計錨索復合支護技術，成功地實現(xiàn)了三軟煤層支護[2]；張國華等指出了錨桿組合支護作用下巖層變形協(xié)調原則，同時給出了錨固錨桿支護中錨桿長度、間距、排距、預緊力4 個關鍵支護技術參數的計算公式[3]；何滿潮等分析了巷道變形、破壞的原理，利用數值模擬對支護方案進行了計算，優(yōu)化了支護方案和耦合設計[4]。

本文在已有研究的基礎上，對協(xié)同作用下錨桿錨固體進行了力學試驗，豐富了深部巷道軟巖協(xié)同效應理論和物理力學參數，可供實際工程參考。

1 錨固體錨桿協(xié)同效應的研究

目前所研究的煤礦系統(tǒng)通常為開放的系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含有大量的子系統(tǒng)，眾多子系統(tǒng)以及構成要素導致系統(tǒng)的復雜性，以往的研究利用具體的函數關系描述各系統(tǒng)的性質，因此巨大的數據庫中包含龐大的微分方程組，大量的計算導致計算出錯率也偏高?！秴f(xié)同學》一書中，在動力學思想的基礎上以絕熱消去原理為依據，在復雜系統(tǒng)中找到起主導作用、支配作用的慢變量，直接忽略快變量對系統(tǒng)的影響，隨后對快變量進行時間的求導，從而得到快變量和慢變量的數學關系式，從數量上來看，慢變量的阻尼系數一般要遠遠小于快變量的阻尼系數，計算結果得到只含有慢變量的演化方程，即序參量方程。

將復雜系統(tǒng)中的復雜問題通過經絕熱消去后可得到簡化后的偏微分方程，龐大的微分方程組簡化為方程量極少的序參量方程，這種將復雜方程簡化為簡單求解的計算方法稱為支配原理。支配原理將復雜問題轉化為簡單問題，提高求解效率的同時將復雜系統(tǒng)簡化為清晰簡單的系統(tǒng)，提高計算的準確率。

對于煤礦巷道圍巖的穩(wěn)定控制而言，因為巷道與巖層之間不斷的進行能量交換，為開放的系統(tǒng)，大系統(tǒng)下又包含圍巖系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)及周圍的環(huán)境系統(tǒng)三個互相獨立且又關聯(lián)的子系統(tǒng)，形成明顯的協(xié)同效應。

本文研究煤礦巷道錨固體錨桿協(xié)同支護，以深部巷道軟巖為基礎，軟巖因為巷道在力的傳遞以及疊加上較硬巖效果好，但是因為軟巖的強度小，通過錨桿進行支護的過程中軟巖極易發(fā)生破碎，因此不足以支撐錨桿預緊力施加給錨固體的剪應力，本文以石英砂為骨料，將水泥和石膏作為膠結料，通過此配比的模型完成錨桿預緊力與錨固體的協(xié)同效應研究，本文中錨桿數量分別為2 根和4 根，不同數量的錨桿在不同預緊力錨固體應力分布不同，通過手電鉆減少安裝過程中錨固體的損傷。

2 根錨桿錨固體鉆裝加載步驟如下：調試計算機，確保計數系統(tǒng)正常，將應變磚接線接入應變測試系統(tǒng)中；分別給錨桿施加8 N·m、16 N·m、24 N·m 的預緊力，采用恒位移加載進行試壓，不同預緊力下間隔1 min 進行數據的采集；單個錨桿完成數據采集后，同時給兩個錨桿施加預緊力，采集數據并保存。

4 根錨桿錨固體鉆裝加載步驟如下：調試計算機，確保計數系統(tǒng)正常，將應變磚接線接入應變測試系統(tǒng)中；分別給錨桿施加8 N·m、16 N·m、24 N·m 的預緊力，采用恒位移加載進行試壓，不同預緊力下間隔1 min 進行數據的采集；單個錨桿完成數據采集后，同時給兩個錨桿施加預緊力，采集數據并保存；兩個錨桿完成數據采集后，同時給三個錨桿施加預緊力，采集數據并保存；三個錨桿完成數據采集后，同時給四個錨桿施加預緊力，采集數據并保存。

試驗過程中利用聲發(fā)射系統(tǒng)對試樣的破壞過程進行輔助分析。

2 協(xié)同效應下錨固體強度特性的研究

圖1 為不同工況下錨固體應力- 應變與聲發(fā)射振鈴計數關系曲線，從圖中可以看出，不同工況下試樣變形破壞差異明顯，未加錨試塊試樣（見圖1-1）在進行單軸壓縮的過程中，試樣變形為整體性破壞，在軸向壓力不斷施加的過程中，聲發(fā)射系統(tǒng)有明顯的斷裂聲，試樣表現(xiàn)為一定的脆性，圖1-2 為施加2根錨桿單軸壓縮數據圖，因為鉆孔的影響作用，導致試樣內部有一定程度的裂紋，在預緊力的作用下，因為鉆孔帶來的弱面有一定的承載能力，當軸向壓力不斷增大時，兩根錨桿之間的預緊力發(fā)生協(xié)同效應，因此，試樣并未發(fā)生整體性破壞，破壞后試樣依舊有很大的殘余強度，試樣的塑性得到增強，在破壞過程中裂紋主要沿著錨固體表面向縱向擴展，且軸向應力越大，貫穿現(xiàn)象愈加明顯；圖1-3 為施加4 根錨桿單軸壓縮數據圖，因為鉆孔數量的增加，使得錨固體中裂紋擴展明顯，雖然有預緊力的存在，但是因為錨桿密度過于集中，導致部分區(qū)域強度大，在軸壓的持續(xù)作用下，出現(xiàn)嚴重的破壞現(xiàn)象，錨固體的整體強度下降明顯。

由此可得，鉆孔對于試樣的完整性存在破壞作用，合理的錨桿密度可以有效地增強試樣抵抗破壞的能力，鉆孔密度過高容易導致試樣強度下降，起不到支護的作用。

聲發(fā)射振鈴計數可以有效地表征試樣單軸壓縮中的破壞過程，當試樣達到峰值強度時，破裂面產生，因此，聲發(fā)射活動明顯，振鈴計數達到最大值；4根錨桿預緊力作用下試樣的聲發(fā)射振鈴計數最大，2根錨桿預緊力次之，未加錨試塊最小，因為鉆孔的原因，導致試樣內部存在大量的裂紋，在軸向壓力的作用下，原始裂紋以及因為鉆孔帶來的裂紋先閉合，隨后產生新增裂紋，因此，聲發(fā)射較為活躍，不同的是，2 根錨桿作用下的錨固體在峰值強度后依舊有聲發(fā)射現(xiàn)象，表明試樣有很大的承載能力，因此可得，合理的錨桿密度可以有效的提高試樣的承載能力，本實驗中，2 根錨桿可以是最佳選擇。

圖1 不同工況下錨固體應力- 應變與聲發(fā)射振鈴計數關系曲線

圖2 錨固體黏聚力與預緊力矩關系曲線

圖2 為錨固體黏聚力與預緊力矩關系曲線，從圖中可以看出，試樣的黏聚力隨預緊力矩的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，錨桿數量為2 時，黏聚力最大增加13.1%，最小增加1.9%；錨桿數量為4 時，黏聚力最大增加42.4%，最小增加4.3%；施加預緊力矩之后，因為協(xié)同效用的存在，相互影響的應力影響區(qū)疊加形成具有一定承載能能力的承壓拱，因此錨固體的承載能力提高；4 根錨桿預緊力矩作用下的試樣黏聚力最大，可以看出，錨桿密度越大，黏聚力越大，但是并不代表試樣的強度越大，只能說明試樣的強度有所增加，在實際的工程中，應該綜合考慮各種因素，實現(xiàn)支護強度的最大化。

3 結論

通過室內試驗，對深部巷道錨固體錨桿協(xié)同支護進行了單軸壓縮試驗，通過對不同錨桿預緊力錨桿密度對協(xié)同效應進行研究，從抗壓強度、聲發(fā)射特征以及黏聚力等方面分析了錨固體的承載機理與穩(wěn)定性，得到結論：采用不同預緊力和錨桿密度對錨固體力學性質有不同程度的提升，但過多的錨桿密度會減弱錨固體承載能力及穩(wěn)定性，錨桿數為2 時的錨固體協(xié)同率最大，試樣的承載能力最大。