不同巷道布置方向?qū)﹀^桿支護(hù)軸力的分布研究

張 璟

（山西焦煤集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

1 錨桿支護(hù)機(jī)理分析

1）對(duì)巷道頂板的支護(hù)作用。當(dāng)巷道出現(xiàn)垂直方向應(yīng)力大于水平方向時(shí)，會(huì)導(dǎo)致巷道頂板的中間或肩角位置出現(xiàn)裂縫，并在自身重力的作用下，破碎巖石掉落并發(fā)生頂板冒落，采用錨桿支護(hù)可起到加固破碎巖層的作用。

2）對(duì)兩側(cè)幫部的支護(hù)作用。煤層幫部的形變破損會(huì)導(dǎo)致煤幫與巷道頂、底板以及煤幫內(nèi)部發(fā)生形變破損，通過錨桿的錨固作用，在巷道兩側(cè)幫部可形成具有承載力的錨固層，可承受來自外界的壓力和變形。

3）煤層幫部對(duì)頂板的穩(wěn)定性作用。當(dāng)巷道圍巖發(fā)生破壞時(shí)，會(huì)造成煤塊破碎甚至剝落，通過加強(qiáng)兩側(cè)幫部支護(hù)，可保證巷道頂板的穩(wěn)定。

因此，錨桿支護(hù)的機(jī)理中就有最大水平應(yīng)力理論，而巷道頂板的穩(wěn)定性主要與水平應(yīng)力有關(guān)，且當(dāng)巷道頂板與最大水平應(yīng)力夾角不同時(shí)，對(duì)頂板的影響也不同[1]。

2 地應(yīng)力與巷道布置軸向的描述

地應(yīng)力是決定巷道和巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，地應(yīng)力的形成比較復(fù)雜，包括重力作用、構(gòu)造應(yīng)力、水壓力等，其中自重和構(gòu)造應(yīng)力是地應(yīng)力的重要組成部分。一般在礦井埋深-100~-1 200 m內(nèi)，最大水平主應(yīng)力基本大于垂直應(yīng)力，即是以水平應(yīng)力為主導(dǎo)地位的地應(yīng)力場。且根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[2]可知，影響煤礦巷道穩(wěn)定性的主導(dǎo)應(yīng)力就是最大水平主應(yīng)力，且最大水平主應(yīng)力的值越大，其相應(yīng)的最小水平主應(yīng)力值反而就越小，這也就表明水平應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直應(yīng)力。因此，在地應(yīng)力場中，最大水平主應(yīng)力成為主要影響因素。

此外，巷道布置軸向與最大水平主應(yīng)力所成的夾角不同對(duì)煤礦巷道變形影響比較明顯，當(dāng)最大水平主應(yīng)力方向與巷道布置軸向一致時(shí)，巷道沿著最大水平主應(yīng)力方向進(jìn)行掘進(jìn)開采，巷道頂?shù)装遄罘€(wěn)定；當(dāng)最大水平主應(yīng)力與巷道布置軸向方向垂直時(shí)，巷道沿著最小水平主應(yīng)力方向進(jìn)行掘進(jìn)開采，此時(shí)對(duì)巷道頂?shù)装迤茐淖畲骩3]。

3 不同巷道布置方向?qū)﹀^桿支護(hù)軸力的分布研究

以某礦為例，設(shè)置錨桿支護(hù)的參數(shù)為：錨桿規(guī)格Φ22 mm×2 500 mm，間排距均為800 mm，錨桿材質(zhì)是MG400。主要分析巷道布置方向與最大水平主應(yīng)力成不同角度，即0°、30°和90°時(shí)，對(duì)錨桿支護(hù)軸力影響的分布規(guī)律。

下頁圖1為錨桿支護(hù)監(jiān)測點(diǎn)的布置示意圖，從圖1可知，錨桿編號(hào)1號(hào)—4號(hào)、10號(hào)—13號(hào)是巷道左右兩側(cè)幫部錨桿，5號(hào)—9號(hào)是巷道頂部錨桿。其中，每根錨桿均設(shè)置10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，便于監(jiān)測其受力變化情況，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)相距0.25 m。此外，監(jiān)測點(diǎn)1—監(jiān)測點(diǎn)6是自由段，監(jiān)測點(diǎn)7—監(jiān)測點(diǎn)10是錨固段，將巷道斷面錨桿編號(hào)1號(hào)—13號(hào)一樣的監(jiān)測點(diǎn)相連接就組成圖1中所示的監(jiān)測線。

圖1 錨桿支護(hù)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置示意圖

當(dāng)巷道布置軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角成0°時(shí)，巷道斷面錨桿支護(hù)軸力的分布規(guī)律如下頁圖2所示。從圖2中可看出，位于同一監(jiān)測線上時(shí)，兩側(cè)幫部錨桿的軸力大小大于頂部錨桿的軸力，巷道錨桿監(jiān)測點(diǎn)的軸力大小整體上呈現(xiàn)“凹”形分布，且此時(shí)，處于正頂位置的7號(hào)錨桿的自由端軸力大小是120.7 kN。

圖2 當(dāng)巷道夾角成0°時(shí)，錨桿支護(hù)軸力的變化曲線

當(dāng)巷道布置軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角成30°時(shí)，巷道斷面錨桿支護(hù)軸力的分布規(guī)律如下頁圖3所示。

從圖3中可看出，在同一監(jiān)測線上，兩側(cè)幫部錨桿和頂部錨桿各監(jiān)測點(diǎn)的軸力大小基本處于同一條直線上，即大小大致相同，因此，此時(shí)錨桿軸力大小貌似呈現(xiàn)“口”形分布。

圖3 當(dāng)巷道夾角成30°時(shí)，錨桿支護(hù)軸力的變化曲線

當(dāng)巷道布置軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角成90°時(shí)，巷道斷面錨桿支護(hù)軸力的分布規(guī)律如下頁圖4所示。

從圖4可看出，當(dāng)夾角增大至90°時(shí)，頂部錨桿的軸力大小增大，且同一監(jiān)測軸線上兩側(cè)幫部錨桿的軸力大小顯著小于頂部錨桿的軸力，相比圖2和圖3，兩側(cè)幫部錨桿的軸力大小略有降低。此時(shí)，錨桿軸力大小貌似呈現(xiàn)“凸”形分布，且當(dāng)夾角是90°時(shí)，處于正頂位置錨桿7號(hào)的自由端軸力大小是249 kN，相比于圖2，軸力大小增加了128.3 kN。

圖4 當(dāng)巷道夾角成90°時(shí)，錨桿支護(hù)軸力的變化曲線

通過對(duì)比分析可知，當(dāng)錨桿進(jìn)行加長錨固支護(hù)作用時(shí)，自由端位置的錨桿軸力大小均相等，且錨固段的軸力大小逐漸減小至0。同時(shí)，隨著巷道布置軸向與最大水平主應(yīng)力夾角的變化，巷道斷面各位置的錨桿軸力大小也相應(yīng)地發(fā)生變化，即隨著夾角的增大，兩側(cè)幫部錨桿的軸力大小逐漸減小，而頂部錨桿的軸力大小明顯增大，且錨桿軸力大小分布呈現(xiàn)凹”“口”“凸”形狀規(guī)律變化。

4 結(jié)論

1）隨著巷道布置軸向與最大水平主應(yīng)力夾角的變化，巷道斷面各位置的錨桿軸力大小也相應(yīng)地發(fā)生變化，即隨著夾角的增大，兩側(cè)幫部錨桿的軸力大小逐漸減小，呈負(fù)相關(guān)；而頂部錨桿的軸力大小明顯增大，呈正相關(guān)。

2）隨著夾角的增大，錨桿軸力大小分布呈現(xiàn)“凹”“口”“凸”形狀規(guī)律變化。