白 杰

(西山煤電(集團)公司 杜兒坪礦，山西 太原 030022)

隨著開采深度的不斷增加以及對難采煤層開采力度的增大，巷道圍巖呈現(xiàn)出高應(yīng)力、軟弱破碎、高瓦斯、支護難度加大等。全長預(yù)應(yīng)力錨固錨桿全長與圍巖粘結(jié)，對圍巖的變形敏感，在此類巷道中的應(yīng)用范圍更加廣泛［1，2］，而關(guān)于全長錨固錨桿的工況研究也日趨迫切，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，提出了中性點理論［3，4］、BSM 模型［5］以及全長錨固錨桿的力學(xué)性能［6，7］。但是這些研究主要針對無預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿，因此有必要對預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿工作機理進行深入研究，用于評價圍巖穩(wěn)定性和安全性及支護的合理性，研究巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿受力分析

通常對錨桿附加應(yīng)力場的研究是在不考慮地應(yīng)力及重力因素的情況下，為了研究實際巷道中預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿的受力狀況，本文對西山煤電(集團)杜兒坪礦8#煤實測巷道地應(yīng)力場水平進行分析計算。由于在掘進過程中經(jīng)歷了背斜、向斜、斷層等地質(zhì)構(gòu)造，巷道錨桿分別經(jīng)歷了全煤巷、半煤巖巷和巖巷，錨桿所處的巖性不同，載荷分布也存在差異性，分別從以下三個方面進行分析:

1)全長錨固錨桿預(yù)應(yīng)力分布規(guī)律。2)圍巖強度不同對全長錨固錨桿受力影響的分析。3)預(yù)緊力不同對全長錨固錨桿受力影響的分析。

1.1 模型建立

建立巷道模型(圖1)，模型尺寸為長×寬×高=3 000 mm×4 000 mm×21 600 mm，共生成27 000 個單元以及30 855 個節(jié)點。巷道為4.8 m ×3.2 m 矩形斷面;利用小孔徑水壓致裂法在杜兒坪礦8#煤層進行地質(zhì)力學(xué)測試，測得最大水平主應(yīng)力σxx=13.99 MPa，最小水平主應(yīng)力σyy=7.36 MPa，垂直應(yīng)力σzz=8.88 MPa。巷道埋深410 m，在模型頂部施加垂直應(yīng)力σzz=9.46 MPa 。

圖1 巷道模型圖

1.2 邊界條件及材料參數(shù)

模型邊界條件見圖2。模型的底端沿z 軸方向固定，沿x 方向兩邊界固定，x 方向移動，沿y 軸方向固定，y 方向移動。全長錨固錨桿預(yù)緊力采用快速和慢速樹脂錨固劑配合使用，在模擬過程中采用先錨固端頭，施加預(yù)緊力，最后錨固自由段的方式。錨桿長度為2.4 m，直徑22 mm;圍巖分別選擇煤、炭泥巖和粉砂巖，其力學(xué)性能參數(shù)見表1。

圖2 模型邊界圖

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)表

1.3 預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿預(yù)應(yīng)力分布規(guī)律研究

對錨桿施加不同預(yù)緊力時，全長錨固錨桿預(yù)應(yīng)力分布狀況見圖3。由圖3 可以看出，全長錨固錨桿在施加預(yù)緊力時慢速錨固段錨桿軸力基本無變化，錨固劑的應(yīng)力基本相等，類似于端部錨桿施加預(yù)緊力，自由段應(yīng)力相等，預(yù)應(yīng)力在桿體無明顯變化。錨桿快速錨固段軸向應(yīng)力呈負指數(shù)或線性形式衰減，且錨桿的預(yù)緊力越高，軸向應(yīng)力衰減越快。

圖3 不同預(yù)緊力下全長錨固錨桿軸向應(yīng)力分布圖

1.4 圍巖強度對全長錨固錨桿受力影響分析

安裝在3 種不同強度圍巖中的錨桿受力狀況見圖4。

圖4 圍巖強度對預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿受力的影響圖

經(jīng)數(shù)值分析計算，得出以下結(jié)論:

1)錨桿預(yù)緊力同為150 kN 時，安裝在煤層中的錨桿在尾部900 mm 處，錨桿軸力最大達600 MPa，錨固劑應(yīng)力值為零，即全長錨固錨桿中性點處。粉砂巖中錨桿的中性點距錨桿尾部為100 mm，說明高預(yù)緊力全長錨固錨桿的中性點隨著圍巖強度的降低將向圍巖的深部移動。

2)對于節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體，強度低、可錨性差，此時全長錨固錨桿的中性點向鉆孔的深部移動，使得本已弱化的錨固狀況更加惡化，容易加速錨固區(qū)深部巖體的破壞。如果單純采用加大錨固劑用量的做法，就要擴大鉆孔的直徑或加大錨桿長度，這就違背了“三徑匹配”的原則，又使成本提高，因此，需要采取預(yù)注漿、注漿錨桿(索)等方式。

1.5 預(yù)緊力對全長錨固錨桿受力的影響

預(yù)緊力對全長錨固錨桿受力的影響見圖5。

圖5 預(yù)緊力對預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿受力的影響圖

由圖5 可知，錨桿的軸向應(yīng)力在靠近孔口的位置不同，向圍巖的深部移動，錨桿的軸向應(yīng)力趨向一致，說明全長錨固錨桿預(yù)應(yīng)力場對于改善巷道圍巖表面附近的應(yīng)力狀態(tài)較為明顯，而對于鉆孔深部影響較小，主要是因為采用數(shù)值模擬計算的過程中，不考慮節(jié)理裂隙的作用，雖然選取了摩爾庫倫本構(gòu)模型，但是圍巖的變形自深部至表面通常按一定的規(guī)律變化，如線性或近似線性，因此，除了在圍巖的表面，錨桿形成的有效壓應(yīng)力值較高，對圍巖的變形產(chǎn)生較大的影響外，在圍巖的深部錨桿受力趨于一致。

2 井下試驗

2.1 試驗地質(zhì)狀況及設(shè)備

為了研究高預(yù)緊力全長錨固錨桿的力學(xué)性能，需要對井下巷道中的預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿受力狀況進行觀測分析。西山煤電(集團)杜兒坪礦8#煤層瓦斯含量高，為了保證回采安全，需要對煤層內(nèi)瓦斯進行預(yù)抽放，目前，主要采用在工作面上部或下部臨近煤層內(nèi)布置高抽巷或底抽巷，對所采煤層瓦斯提前預(yù)抽放。高抽巷或底抽巷在服務(wù)期限內(nèi)將會受到上下煤層相鄰工作面回采動壓的影響，巷道支護難度大，該試驗巷道為68304 底抽巷，用于抽放8#煤層68304 和68305 兩個工作面瓦斯，其位置示意圖見圖6。

圖6 底抽巷位置示意圖

測力錨桿是研究全長錨固錨桿載荷分布的重要工具，通過分析錨桿受力變化情況分析巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律［7］。為了實現(xiàn)設(shè)計中要求的全長錨固錨桿的預(yù)應(yīng)力達300 N·m，需要對測力錨桿施加高的預(yù)應(yīng)力，由于測力錨桿尾部的特殊結(jié)構(gòu)，使得錨桿的預(yù)應(yīng)力難以施加，為了改變這種狀況，在實驗室加工了專門用于測力錨桿施加扭矩的套筒，通過扭矩倍增器將扭矩施加至規(guī)定值。為了實現(xiàn)全長預(yù)應(yīng)力，采用2 支超快速樹脂錨固劑MSCK2360 和1 支低黏度慢速樹脂錨固劑MSM2380，慢速錨固劑MSM2380 的凝結(jié)時間不少于30 min，在慢速錨固劑凝結(jié)前對錨桿施加預(yù)應(yīng)力。

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

利用應(yīng)變儀監(jiān)測工作面在超過測站2 m、14 m、25 m、40 m 和60 m 時測力錨桿的受力變化狀況，見圖7，圖8，根據(jù)錨桿受力的變化狀況分析巷道礦壓顯現(xiàn)狀況。

1)錨桿的預(yù)緊力沿桿體慢速錨固段呈均勻分布，而在快速錨固段呈逐漸衰減的趨勢。

2)當掘進工作面超過測站14 m 時，測力錨桿的載荷開始迅速增加，在錨桿中性點處受力最大，1#錨桿620 mm 處載荷最大，為82.22 kN。2#錨桿在1 460 mm 處錨桿載荷最大，為80.57 kN，當掘進工作面超過測站60 m 時，兩錨桿的受力狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。

3)安裝過程中將2#錨桿安裝在頂板較為破碎的地段，而1#錨桿安裝在穩(wěn)定頂板處，可以看出，2#錨桿受力最大點處為1 460 mm，1#錨桿受力最大點處為620 mm，即2#錨桿中性點位置較1#錨桿向鉆孔的深部移動，驗證了數(shù)值計算的結(jié)果，并且2#錨桿載荷沿桿體整體受力比較大，巷道壓力也較大。

圖7 1#錨桿軸力分布圖

圖8 2#錨桿軸力分布圖

3 結(jié) 論

通過對預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿的數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗研究，可以得出以下結(jié)論:

1)全長錨固錨桿預(yù)應(yīng)力場對于改善巷道圍巖表面附近的應(yīng)力狀態(tài)較為明顯，而對于鉆孔深部影響較小。2)預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿預(yù)應(yīng)力沿桿體慢速錨固段呈近似均勻分布，在快速錨固段呈逐漸衰減趨勢，且在中性點處，錨桿的軸向載荷最大。3)預(yù)應(yīng)力全長錨固錨桿的中性點隨著圍巖強度的降低向鉆孔的深部移動，中性點的深移會加速錨固區(qū)深部巖層的破壞，導(dǎo)致錨固效果降低。

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