巷道預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

劉永宏

（山西蘭花百盛煤業(yè)有限公司項(xiàng)目辦，山西 高平 048408）

引言

隨著煤炭需求量的不斷增加，井下煤炭掘進(jìn)與開采工作的強(qiáng)度和規(guī)模不斷擴(kuò)大，對巷道支護(hù)要求越來越高[1-2]。大型掘進(jìn)設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用及煤炭掘進(jìn)巷道的截面尺寸劇增，對巷道圍巖的穩(wěn)定性要求提出了更高要求，也是大斷面巷道支護(hù)亟待解決的技術(shù)瓶頸[3]。大斷面巷道支護(hù)的難點(diǎn)主要是煤炭周圍的圍巖極易出現(xiàn)松軟破碎，采用普通的錨桿進(jìn)行支護(hù)經(jīng)常出現(xiàn)不能維持圍巖穩(wěn)定性問題，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的關(guān)注[4-5]。預(yù)應(yīng)力錨桿的出現(xiàn)，為大斷面巷道圍巖支護(hù)工作提供了新的方法，其能夠可靠抑制巷道圍巖支護(hù)過程中的過大變形，確保圍巖的穩(wěn)定性[6]。針對某煤炭企業(yè)巷道大斷面普通錨桿支護(hù)存在的問題，開展預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作具有重要的意義。

1 預(yù)應(yīng)力錨桿介紹

煤炭巷道斷面采用普通的錨桿支護(hù)，出現(xiàn)了圍巖變形較為明顯的問題，主要的原因是普通錨桿工作時(shí)在圍巖不發(fā)生變形之前不會(huì)起到支護(hù)的作用，只有在圍巖出現(xiàn)變形之后才能使出支護(hù)效果，圍巖的變形量越大，錨桿的支護(hù)效果越好。綜上，普通錨桿支護(hù)可以被定義為被動(dòng)支護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)大斷面巷道支護(hù)由被動(dòng)支護(hù)變?yōu)橹鲃?dòng)支護(hù)，開始引入了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)為巷道周圍圍巖提供支護(hù)力的效果，抑制圍巖裂隙的發(fā)展，有效降低圍巖變形破裂程度，提高圍巖的自承載能力，達(dá)到良好的主動(dòng)支護(hù)效果。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿擴(kuò)散規(guī)律的數(shù)值模擬

引入預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)之后，為了探索預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)應(yīng)用的規(guī)律性，借助有限元仿真分析方法，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件和Tecplot結(jié)果后處理軟件，開展了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)應(yīng)力擴(kuò)散規(guī)律研究。仿真工作開始前建立有限元仿真分析模型，巷道整體模型尺寸（長×寬×高）數(shù)值為16 m×40 m×16 m，整個(gè)模型分為五層，自下而上依次為細(xì)砂巖、粉砂巖、煤層、粉砂巖、中粒砂巖。仿真模型建立完成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，統(tǒng)計(jì)得到的單元格數(shù)量為655 360，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為718 250。為了能夠清晰地表達(dá)出預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果，仿真時(shí)對圍巖不施加原巖應(yīng)力。模型中的巷道斷面尺寸（長×寬）數(shù)值為4 m×3.5 m，對錨桿施加預(yù)緊力并運(yùn)算至平衡后對結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 錨桿長度對應(yīng)力場的影響

錨桿長度作為錨桿支護(hù)過程中較為重要的參數(shù)之一，其對支護(hù)效果的影響較為明顯，為了研究錨桿長度對錨固應(yīng)力場的影響，仿真時(shí)設(shè)置錨桿的預(yù)緊力恒定，此處設(shè)置為100 kN，通過分析計(jì)算不同錨桿長度尺寸下的錨固應(yīng)力分布情況，得到相應(yīng)的規(guī)律性結(jié)論，以便更好地指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)定。

圖1 不同預(yù)應(yīng)力錨桿長度下的預(yù)應(yīng)力場

圖1給出了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)長度分別在1.8 m、2 m和2.5 m時(shí)的應(yīng)力場分布情況，由圖1結(jié)果可以看出，隨著錨桿支護(hù)長度尺寸的延長，有效壓應(yīng)力區(qū)的深度數(shù)值不斷增大，進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力錨桿的尾部有效壓應(yīng)力數(shù)值受錨桿長度數(shù)值變化影響較小，而受到影響較為明顯的位置是預(yù)應(yīng)力錨桿中間部位，有效壓應(yīng)力的寬度數(shù)值降低較為明顯。由此可見，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿長度延長，有利于預(yù)應(yīng)力向圍巖深部的縱向擴(kuò)散，與此同時(shí)，錨桿長度的提高會(huì)降低預(yù)應(yīng)力在圍巖中的橫向擴(kuò)散。根據(jù)理論分析及工程實(shí)踐可知，煤炭巷道掘進(jìn)斷面錨桿預(yù)緊力一定時(shí)，錨桿長度尺寸不易過長，要保證支護(hù)效果合理的錨桿長度應(yīng)深入穩(wěn)定巖層內(nèi)部0.2 m，長度尺寸一般控制在1.6～2.4 m范圍內(nèi)。

2.2 錨桿預(yù)緊力大小對應(yīng)力場的影響

錨桿預(yù)緊力作為錨桿支護(hù)過程中另一個(gè)參數(shù)，其對支護(hù)效果的影響同樣重要，為了研究錨桿預(yù)應(yīng)力對錨固應(yīng)力場的影響，仿真時(shí)設(shè)置錨桿的長度尺寸恒定，此處設(shè)置為2.0 m，通過分析計(jì)算錨桿不同預(yù)應(yīng)力條件下錨固應(yīng)力分布情況，得到相應(yīng)的規(guī)律性結(jié)論，以便更好指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)定。

圖2 不同錨桿預(yù)應(yīng)力條件下的預(yù)應(yīng)力場

圖2分別給出了錨桿初始預(yù)緊力為60 kN、100 kN、140 kN條件下的應(yīng)力場分布。由不同預(yù)緊力條件下錨桿應(yīng)力場仿真分析結(jié)果可以看出，施加預(yù)緊力之后錨桿尾部出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)力集中情況，壓應(yīng)力大小由錨桿尾部向圍巖內(nèi)部逐漸擴(kuò)散。預(yù)緊力數(shù)值為100 kN條件時(shí)，錨桿尾部的最大應(yīng)力數(shù)值為0.4 MPa，壓應(yīng)力數(shù)值隨著錨桿的深入逐漸降低，最小應(yīng)力數(shù)值為0.15 MPa，位置出現(xiàn)在錨桿的五分之二位置處，在一定的范圍內(nèi)形成對圍巖的有效壓應(yīng)力區(qū)。進(jìn)一步觀察不同預(yù)緊力條件下錨桿預(yù)應(yīng)力分布情況可得，隨著預(yù)緊力的不斷提高，壓應(yīng)力范圍不斷提高，即增大錨桿預(yù)緊力可以提高主動(dòng)支護(hù)效果。

3 支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)以上錨桿支護(hù)過程中應(yīng)力場的分布規(guī)律可得，隨錨桿長度的增加，有效壓應(yīng)力區(qū)的深度數(shù)值不斷提高，對尾部有效壓應(yīng)力數(shù)值影響較小，而對錨桿中間位置有效壓應(yīng)力數(shù)值降低較為明顯。隨著錨桿預(yù)應(yīng)力數(shù)值的提高，能夠提高主動(dòng)支護(hù)效果。結(jié)合煤炭企業(yè)內(nèi)部預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的需求，由于錨桿長度和預(yù)應(yīng)力過大或者過小均對預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)效果帶來不利影響，故而確定了預(yù)應(yīng)力錨桿的長度尺寸數(shù)值為2.0 m，預(yù)緊力數(shù)值設(shè)置為100 kN。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)及參數(shù)設(shè)置的應(yīng)用效果，在煤炭巷道斷面開展預(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)用，跟蹤記錄錨桿支護(hù)過程中巷道斷面的變化情況。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)工作較為穩(wěn)定，取得了主動(dòng)支護(hù)的效果。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于普通錨桿支護(hù)，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的引進(jìn)，使煤炭巷道頂板位置的月沉降量降低了近11%，巷道左側(cè)幫月膨脹位移數(shù)值降低約8%，巷道右側(cè)幫月膨脹位移數(shù)值降低約7%。由此可見，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，能夠提高煤炭巷道內(nèi)部錨桿支護(hù)的可靠性，保證巷道內(nèi)部作業(yè)的安全性，取得了很好的應(yīng)用效果。