秦忠誠(chéng) 王備備 劉玉騰 潘瑞凱

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿在復(fù)雜圍巖中的應(yīng)用

秦忠誠(chéng) 王備備 劉玉騰 潘瑞凱

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

以楊營(yíng)煤礦3103工作面順槽復(fù)雜圍巖巷道支護(hù)為背景，運(yùn)用自然平衡拱理論，計(jì)算出楊營(yíng)煤礦復(fù)雜圍巖條件下錨桿合理的支護(hù)參數(shù)：頂錨桿長(zhǎng)度為2.4 m，間距為0.9 m；幫錨桿長(zhǎng)度為2.2 m，間距為0.8 m；排距均為1 m。將理論計(jì)算出的錨桿參數(shù)結(jié)合有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，分別對(duì)普通錨桿、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿及高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿進(jìn)行了對(duì)比模擬研究。理論及實(shí)踐均表明：高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿能夠?qū)鷰r形成主動(dòng)支護(hù)，減小松動(dòng)圈破壞范圍，可防止錨桿因承受過度載荷過早進(jìn)入屈服階段而失效，同時(shí)能夠減小巷道支護(hù)密度，提高掘進(jìn)速度,對(duì)復(fù)雜圍巖巷道形成了很好的支護(hù)效果。

復(fù)雜圍巖 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿 支護(hù)參數(shù) 數(shù)值模擬 圍巖變形

楊營(yíng)煤礦3100采區(qū)埋深800多m，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，3103工作面實(shí)見斷層7條，落差均小于5 m。由于受斷層影響，煤層頂板及兩幫均比較破碎，遇斷層時(shí)存在片幫、底鼓、頂板離層等礦壓現(xiàn)象。3103膠帶順槽原支護(hù)均采用規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm的Q235普通螺紋鋼錨桿支護(hù)，由于3103膠帶順槽地質(zhì)條件復(fù)雜，錨桿出現(xiàn)大面積破壞、巷道頂板下沉以及兩幫移近量較大等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)。因此，對(duì)于復(fù)雜難支護(hù)巷道而言，僅僅依靠普通螺紋鋼錨桿支護(hù)，很難控制圍巖的劇烈變形，應(yīng)積極探討適合復(fù)雜圍巖的支護(hù)方式，改善圍巖的支護(hù)效果[1]。

1 自然平衡拱理論分析錨桿參數(shù)

復(fù)雜圍巖地質(zhì)條件下受構(gòu)造應(yīng)力的影響[2]，巷道周邊應(yīng)力分布不均一，原有的支護(hù)參數(shù)很難滿足復(fù)雜圍巖巷道支護(hù)，因此應(yīng)根據(jù)圍巖的強(qiáng)度及破壞情況設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。圖1所示為根據(jù)自然平衡拱理論計(jì)算巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的計(jì)算圖[3]。

根據(jù)3103工作面順槽地質(zhì)特性及巷道實(shí)際尺寸確定出錨桿支護(hù)參數(shù)如下。

圖1 巷道圍巖破壞范圍計(jì)算圖Fig.1 Calculating diagram of failure zone of roadway surrounding rock

(1)巷道兩幫破壞深度C及巷道頂板破壞深度b。

(1)

(2)

式中，Kcx為巷道圍巖擠壓應(yīng)力集中系數(shù)，Kcx=1.8；γ為巖石的容重，γ=25kN/m3；H為采深，H=800 m；B為表征受采動(dòng)影響的參數(shù)，B=1.4；fy為煤的硬度系數(shù)，fy=2.5；h為煤厚，h=3 m；φ為煤的內(nèi)摩擦角，φ=30°；a為巷道半跨距，a= 2.1 m；α為煤層傾角，α=0°；ky為巖層的穩(wěn)定系數(shù)，ky=0.57；fn為巖層的硬度系數(shù)，fn=3.5。

(2)頂錨桿長(zhǎng)度Lr、幫錨桿長(zhǎng)度Ls。

(3)

(4)

式中，Δ為錨桿錨入深部穩(wěn)定圍巖長(zhǎng)度與錨桿外露長(zhǎng)度之和，一般取0.5～0.7 m。

(3)頂錨桿、幫錨桿間排距Dr。

(5)

頂錨桿數(shù)量N

(6)

幫錨桿數(shù)量Ns

(7)

式中，QH為頂板載荷，QH=341.9kN/m；Q為兩幫載荷，Q=70.4kN/m；Pr為頂錨桿拉拔力，Pr=160kN；Kr為安全系數(shù)，Kr=2；Ps為幫錨桿拉拔力，Ps=80kN；K1為安全系數(shù)，K1=3。

為方便錨桿安裝施工[4]，由頂錨桿數(shù)量及巷道實(shí)際幾何尺寸(4.2m×3.0m)計(jì)算出頂板錨桿間距為0.9m；根據(jù)幫錨桿數(shù)量計(jì)算出幫錨桿間距為0.8m；根據(jù)式(5)計(jì)算出頂錨桿、幫錨桿排距均為1m。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立與參數(shù)的選取

為了模擬高強(qiáng)讓壓錨桿支護(hù)效果，建立了普通螺紋鋼錨桿、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力和高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿3種巷道支護(hù)方案[5]。FLAC3D模型尺寸均為28m×10m×34m，巷道實(shí)際尺寸為4 200mm×3 000mm，楊營(yíng)煤礦3103工作面順槽埋深800m，因此在模型頂部施加20MPa的上覆載荷。巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

FLAC3D中錨桿模擬采用cable單元[6]，不同類型錨桿技術(shù)指標(biāo)如表2所示。錨桿直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2.4 m，巷道邊角部位采用2.4 m錨桿，頂板布置5根錨桿，間距900 mm，排距1 000 mm，兩幫各布置4根錨桿，間距800 mm，排距1 000 mm。巷道斷面錨桿支護(hù)示意圖如圖2所示。

表2 不同類型錨桿技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specification of different bolts

圖2 巷道斷面錨桿支護(hù)示意Fig.2 Schematic diagram of bolt support at roadway section

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 圍巖應(yīng)力分析

圖3為3種不同類型錨桿支護(hù)條件下的巷道圍巖應(yīng)力對(duì)比圖。從中可以看出巷道圍巖表面受拉應(yīng)力作用顯著，巷道頂?shù)装宓膽?yīng)力值隨錨桿支護(hù)方式的改善逐漸向圍巖深部轉(zhuǎn)移[7],并趨于穩(wěn)定。相對(duì)于錨桿錨固范圍，采用普通錨桿支護(hù)時(shí)頂板圍巖應(yīng)力約為5 MPa，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿圍巖應(yīng)力約為7 MPa，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿頂板圍巖應(yīng)力為12 MPa。

圖3 不同類型錨桿支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力變化Fig.3 Variation of surrounding rock stresses under different types of bolt support■—普通錨桿；◆—高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿；▲—高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿

2.2.2 圍巖變形量分析

圖4為3種不同類型錨桿支護(hù)條件下的巷道圍巖變形量對(duì)比圖。從中可以看出采用普通錨桿支護(hù)時(shí)左幫移近量達(dá)100 mm，巷道兩幫變形較大；而采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)變形量只有40 mm；高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿由于讓壓管平衡了部分圍巖位移，巷道變形量只有20 mm，對(duì)兩幫起到了很好的支護(hù)效果。采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿支護(hù)時(shí)，頂板最大下沉量只有50 mm，最大底鼓量只有40 mm。

2.2.3 圍巖塑性區(qū)分析

在外部垂直應(yīng)力的作用下，巷道圍巖的破壞從巷道的幫角、底角開始呈現(xiàn)剪切破壞，巷道頂?shù)装寮皟蓭椭邢瘸霈F(xiàn)局部的剪切破壞帶，然后局部剪切破壞帶相互貫通，逐漸形成范圍較大的塑性破壞區(qū)[8]。

為了表征不同支護(hù)形式下圍巖破壞程度的大小，采用圍巖塑性比即塑性區(qū)面積與指定圍巖總面積的比值這一指標(biāo)，如表3所示。

圖4 不同類型錨桿支護(hù)條件下圍巖變形量Fig.4 Deformation of surrounding rock under different types of bolt support■—普通錨桿；◆—高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿；▲—高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿表3 不同支護(hù)形式下的圍巖塑性比Table 3 Plastic ratio of surrounding rock under different support

錨桿類型圍巖總面積/m2塑性區(qū)面積/m2圍巖塑性比/%普通錨桿1346045高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿1344332高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿1343425

由表3可知普通錨桿支護(hù)時(shí)圍巖塑性區(qū)面積較大，圍巖塑性比達(dá)到45%，圍巖周邊松動(dòng)圈得不到有效的加固，圍巖破壞較嚴(yán)重；采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖施加壓應(yīng)力，圍巖的破壞程度明顯降低，圍巖塑性比只有32%；高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿圍巖塑性比只有25%，對(duì)圍巖起到了很好的加固作用[9]。

3 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿支護(hù)效果實(shí)測(cè)

為了檢驗(yàn)楊營(yíng)煤礦工作面順槽高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿的支護(hù)效果，在該巷道布置了表面位移觀測(cè)斷面，共連續(xù)觀測(cè)54 d，根據(jù)以往觀測(cè)可知，原普通錨桿支護(hù)巷道頂板最大下沉量為250 mm，兩幫最大移近量為200 mm；而高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿支護(hù)巷道觀測(cè)斷面頂板下沉量最大為70 mm，兩幫最大移近量約為40 mm(見圖5)。對(duì)比來(lái)看，采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿支護(hù)與采用普通錨桿支護(hù)頂板相比，下沉量減少了180 mm，兩幫移近量減少了160 mm，滿足了安全生產(chǎn)的要求。

圖5 巷道變形量實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 In-situ monitoring results of roadway deformation■—頂板下沉量；◆—底板底鼓量； ×—右?guī)鸵平?；▲—左幫移近?/p>

4 結(jié) 論

(1)相對(duì)于普通錨桿，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿允許巷道產(chǎn)生一定量的穩(wěn)定變形，可防止錨桿過早地進(jìn)入屈服破壞，對(duì)錨桿桿體具有一定的保護(hù)作用，可提高錨桿的安全性，確保巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

(2)巷道開挖后周圍圍巖要形成松動(dòng)圈，松動(dòng)圈破壞范圍與施加的支護(hù)體系的強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力大小、預(yù)應(yīng)力施加時(shí)間都有關(guān)系。為了提高掘進(jìn)速度，應(yīng)多采用Q500的高強(qiáng)度桿體，提高支護(hù)強(qiáng)度，減小支護(hù)密度。

(3)與普通錨桿支護(hù)相比，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿支護(hù)巷道圍巖變形量顯著減小，頂板最大下沉量、兩幫最大移近量減小幅度接近80%，高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿支護(hù)有效地控制了巷道圍巖的變形，滿足了生產(chǎn)的要求。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Application of High Strength Pre-stressed Yielding Boltunder the Condition of Complex Surrounding Rock

Qin Zhongcheng Wang Beibei Liu Yuteng Pan Ruikai

(SchoolofMiningandSafetyEngineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China)

Taking the roadway support under complex surrounding rock at No.3103 working face in Yangying Mine for example，the natural equilibrium arch theory is used to calculate the reasonable support parameters of anchor under complex surrounding rocks:the length of top bolt 2.4 m，the space of top bolt 0.9 m;the length of side bolt 2.2 m，the space of side bolt 0.8 m，and the distance of two rows 1 m.Combining the bolt parameters with the numerical simulation software FLAC3D，simulations on the ordinary bolt，high strength pre-stressed bolt，high strength pre-stressed yielding bolt was carried out.The theory and practice demonstrated that the high strength pre-stressed yielding bolt can effectively support the roadway，reduce the damage range of surrounding rock loose circle，and prevent anchor from excessive load and too early into the state of failure.At the same time，it can reduce the support density of roadway and increase the digging speed.Hence，the high strength pre-stressed yielding bolt owns a good support performance for the roadway with complex surrounding rock.

Complex surrounding rock，High strength pre-stressed yielding bolt，Support parameter，Numerical simulation，Surrounding rock deformation

2015-09-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51379119)。

秦忠誠(chéng)(1965—)，男，教授，博士。

TD353

A

1001-1250(2015)-11-133-04