張建國(guó)，陳廣帥

(1.霍州煤電集團(tuán) 晉南公司安全處，山西　河津　043300； 2.霍州煤電技術(shù)研究院，山西　霍州　031400)

?

·試驗(yàn)研究·

錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)大跨度巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

張建國(guó)1，陳廣帥2

(1.霍州煤電集團(tuán) 晉南公司安全處，山西河津043300； 2.霍州煤電技術(shù)研究院，山西霍州031400)

摘要根據(jù)沙坪礦地質(zhì)資料和308工作面切巷支護(hù)方法，建立數(shù)值模型，首先，分別設(shè)定錨桿預(yù)應(yīng)力為其桿體屈服強(qiáng)度的30%、40%和50%，在不施加原巖應(yīng)力的情況下分析了錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中的分布特征；其次，在數(shù)值計(jì)算中加上原巖應(yīng)力，分別分析了3種預(yù)應(yīng)力條件下巷道圍巖變形特征，確定了最佳預(yù)應(yīng)力取桿體屈服強(qiáng)度的50%.通過(guò)井下預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，確定了頂錨桿預(yù)緊扭矩為250 N·m，幫部預(yù)緊扭矩為200 N·m，在現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞錨桿；預(yù)應(yīng)力；大跨度；圍巖；穩(wěn)定性；預(yù)緊扭矩

工作面切巷由于安裝支架的需要，巷道跨度較大，對(duì)于支護(hù)質(zhì)量和支護(hù)強(qiáng)度控制要求高：一方面要求支架安裝完畢時(shí)頂板圍巖保持穩(wěn)定，嚴(yán)防漏頂現(xiàn)象出現(xiàn)；另一方面，工作面回采時(shí)，避免開(kāi)切眼支護(hù)強(qiáng)度過(guò)高出現(xiàn)難以垮落現(xiàn)象[1].預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)系統(tǒng)的決定性參數(shù)，預(yù)應(yīng)力過(guò)低，將導(dǎo)致錨桿支護(hù)產(chǎn)生的附加應(yīng)力值小，形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍小，有效壓應(yīng)力區(qū)孤立分布，不能連成整體。在高預(yù)應(yīng)力下，錨桿支護(hù)產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力值大，形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍廣，有效壓應(yīng)力區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)頂板，形成有機(jī)的整體，錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用得到充分發(fā)揮[2].根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果，預(yù)應(yīng)力選擇原則是使錨固區(qū)不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力區(qū)且小于錨桿的屈服強(qiáng)度，錨桿預(yù)應(yīng)力取值范圍應(yīng)達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%時(shí)比較合理[3,4].

1工程概況

沙坪煤礦308工作面，東鄰306工作面， 306工作面已開(kāi)始末采，南接集中運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷，西、北均為礦井井田邊界。308工作面切巷沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層平均厚為2.3 m，夾矸厚度為0.3～0.6 m，平均厚度為0.45 m.煤層傾角最大為9°，最小為1°，平均為5°.切巷平均埋深60 m，埋深變化不大，埋深較淺。切巷直接頂為泥巖，厚度為3.9 m，黑色，松軟，之上為K2灰?guī)r，厚度為0.64 m，再上為黃泥，厚度0.74 m；直接底為泥巖，厚度3.7 m，黑色，松軟。切巷處無(wú)明顯地質(zhì)構(gòu)造。

308工作面切巷斷面為矩形，寬度5.6 m，高度2.6 m.巷道的支護(hù)斷面見(jiàn)圖1.

圖1　巷道斷面支護(hù)示意圖

頂板采用錨桿+鋼筋托梁和錨索支護(hù)，錨桿桿體為d20 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，鋼號(hào)為335#，長(zhǎng)度為2.0 m，錨桿排距1 000 mm，每排6根錨桿，沿巷道軸線對(duì)稱(chēng)布置，間距1 000 mm；錨索公稱(chēng)d17.8 mm，1×7股礦用鋼絞線，長(zhǎng)度4 300 mm，采用“二二”布置，排距1 800 mm，間距2 000 mm，2根錨索沿巷道軸線對(duì)稱(chēng)布置。幫部分為回采幫和非回采幫，由于安裝支架后回采幫要進(jìn)行割煤工作，給錨桿支護(hù)會(huì)帶來(lái)不便，所以回采幫視變形情況可以不予支護(hù)；非回采幫采用錨桿+鋼筋托梁支護(hù)，錨桿桿體為d16 mm的圓鋼，長(zhǎng)度1.6 m，錨桿排距1 000 mm，每排3根錨桿，間距1 000 mm，最上1根距頂板200 mm.

2錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響分析

2.1建立數(shù)值模型

根據(jù)沙坪煤礦具體地質(zhì)條件和308切巷支護(hù)情況，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化建立FLAC數(shù)值模型，模型為長(zhǎng)方體形狀，長(zhǎng)軸沿切巷軸線方向，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為20 m，短軸長(zhǎng)度18 m，垂直高度15 m，垂直方向模型沒(méi)有建立到地表，地表未建地層，用模型頂部壓應(yīng)力代替。長(zhǎng)軸、短軸方向和模型底部邊界均為固定邊界，模型頂部為應(yīng)力邊界。模型從下到上分別為泥巖、煤層、泥巖、K2灰?guī)r。

2.2預(yù)應(yīng)力在圍巖中分布特征分析

為了清晰地看到錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中的分布特征，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，去除原巖應(yīng)力，根據(jù)錨桿預(yù)應(yīng)力取值范圍應(yīng)達(dá)到桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%的原則，308切巷頂板錨桿桿體為d20 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度335 MPa，通過(guò)計(jì)算可以得出，頂板錨桿的預(yù)應(yīng)力取值為31.6～52.6 kN.這里分別選取錨桿預(yù)應(yīng)力為桿體屈服強(qiáng)度的30%、40%和50%，即預(yù)應(yīng)力分別為31.6 kN、42.08 kN、52.6 kN，通過(guò)計(jì)算，得出3種錨桿預(yù)應(yīng)力在切巷頂板形成的附加應(yīng)力場(chǎng)分布，見(jiàn)圖2.

圖2　不同錨桿預(yù)應(yīng)力形成的附加應(yīng)力場(chǎng)分布圖

從圖2可以看出，錨桿施加預(yù)應(yīng)力后，預(yù)應(yīng)力通過(guò)托板傳遞給巷道圍巖，在圍巖中形成一定范圍的壓應(yīng)力區(qū)，錨桿預(yù)應(yīng)力為31.6 kN、42.08 kN、52.6 kN時(shí)，各錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)基本上都可以相互疊加，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的增大，錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中擴(kuò)散的范圍更廣，這樣就使圍巖中壓應(yīng)力區(qū)的整體性更好，而且使錨桿支護(hù)在圍巖中產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力值增大，在巷道圍巖形成一個(gè)整體的壓應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力區(qū)幾乎覆蓋了整個(gè)頂板，形成有機(jī)的整體，使巷道圍巖處于壓應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖強(qiáng)度，錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用得到充分發(fā)揮，更有利于巷道的支護(hù)。

由分析可得，在錨桿的預(yù)應(yīng)力取值為31.6～52.6 kN的情況下，預(yù)應(yīng)力選擇越大越好。

2.3不同錨桿預(yù)應(yīng)力下巷道圍巖變形特征分析

在數(shù)值模型中加入原巖應(yīng)力，制定3種不同預(yù)應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算方案，3個(gè)方案中錨桿預(yù)應(yīng)力分別取其本身屈服強(qiáng)度的30%、40%和50%，即方案一中頂錨桿預(yù)應(yīng)力為31.6 kN，幫錨桿預(yù)應(yīng)力為20.22 kN；方案二中頂錨桿預(yù)應(yīng)力為42.08 kN，幫錨桿預(yù)應(yīng)力為26.96 kN；方案三中頂錨桿預(yù)應(yīng)力為52.6 kN，幫錨桿預(yù)應(yīng)力為33.7 kN.3個(gè)方案中錨索預(yù)應(yīng)力統(tǒng)一為100 kN.

經(jīng)過(guò)計(jì)算，3個(gè)方案中，巷道圍巖的變形情況見(jiàn)圖3.

由巷道圍巖變形數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得出，方案一中，巷道頂板最大下沉量為18.1 mm，最大底鼓量為2.3 mm，兩幫中部移近量為1.56 mm；方案二中頂板最大下沉量為14.8 mm，最大底鼓量為2.06 mm，兩幫中部移近量為1.35 mm；方案三中頂板最大下沉量為12.6 mm，最大底鼓量為1.87 mm，兩幫中部移近量為1.12 mm.3個(gè)方案中左幫(支護(hù)幫)位移量小于右?guī)?無(wú)支護(hù)幫)位移量。錨桿預(yù)應(yīng)力取其本身屈服強(qiáng)度的30%、40%和50%時(shí)，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，切巷頂、底板和兩幫變形量均有所減小，巷道圍巖穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。

圖3　巷道圍巖變形圖

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

3.1預(yù)緊扭矩的確定

錨桿預(yù)緊力通過(guò)施加在錨桿端部螺母上的預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)化形成，錨桿預(yù)緊力與螺母上的預(yù)緊扭矩成正比，現(xiàn)場(chǎng)材料和環(huán)境的不同都會(huì)影響預(yù)緊扭矩向預(yù)緊力轉(zhuǎn)化的效果。本文運(yùn)用該礦現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)材料，通過(guò)扭矩扳手和錨桿測(cè)力計(jì)等儀器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定該礦施工過(guò)程中預(yù)緊扭矩向錨桿預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，最終確定合適的預(yù)緊扭矩。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得出308工作面切巷現(xiàn)場(chǎng)預(yù)緊扭矩和預(yù)緊力的關(guān)系見(jiàn)圖4.

圖4　預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系圖

從圖4中可以看出，當(dāng)幫部錨桿預(yù)緊扭矩達(dá)到200 N·m時(shí)，錨桿預(yù)緊力達(dá)到36.5 kN，達(dá)到幫錨桿屈服強(qiáng)度的50%，可以滿足需求；頂錨桿預(yù)緊扭矩達(dá)到300 N·m時(shí)，預(yù)緊力達(dá)到67.8 kN，根據(jù)預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力關(guān)系的變化趨勢(shì)可以判定當(dāng)預(yù)緊扭矩達(dá)到250 N·m時(shí)，頂錨桿預(yù)緊力可以達(dá)到頂錨桿屈服強(qiáng)度的50%，所以在308切巷施工過(guò)程中設(shè)定頂錨桿預(yù)緊扭矩為200 N·m，頂錨桿預(yù)緊扭矩為250 N·m.

3.2現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)

按照上述的支護(hù)方式，頂錨桿預(yù)緊扭矩選擇250 N·m，幫錨桿預(yù)緊扭矩選擇200 N·m進(jìn)行施工，目前切巷已經(jīng)施工完畢，施工過(guò)程中，在距離切巷開(kāi)口30 m處建立1組位移測(cè)站，進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)，當(dāng)測(cè)站距離巷道迎頭60 m時(shí)，巷道基本變形穩(wěn)定，巷道變形量與測(cè)站距掘進(jìn)迎頭距離的關(guān)系見(jiàn)圖5.

圖5　巷道變形量與測(cè)站距掘進(jìn)迎頭距離關(guān)系圖

由位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，頂板最大下沉量為25 mm，兩幫最大移近量為6 mm，頂板和兩幫變形均很小，支護(hù)效果顯著。

4結(jié)論

1) 結(jié)合現(xiàn)有研究成果，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算及分析得出，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力達(dá)到錨桿本身屈服強(qiáng)度50%時(shí)，支護(hù)效果較好。

2) 由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定頂錨桿預(yù)緊扭矩為250 N·m，幫部預(yù)緊扭矩為200 N·m.

3) 通過(guò)施工過(guò)程中巷道表面位移監(jiān)測(cè)得出，頂板最大下沉量為25 mm，兩幫最大移近量為6 mm，巷道圍巖得到了較好的控制。

參考文獻(xiàn)

[1]錢(qián)鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003:88-91.

[2]韋四江.預(yù)緊力對(duì)巷道圍巖錨固體穩(wěn)定的作用機(jī)理及工程應(yīng)用[D].焦作：河南理工大學(xué)，2011.

[3]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2007:116-121.

[4]康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(7)：680-685.

Study on the Influence of Anchor Bolt Prestress to the Surrounding Rock Stability of Large-span Roadway

ZHANG Jianguo, CHEN Guangshuai

AbstractAccording the geological data of Sha'ping coal mine and the support method of 308 working face cross tunnel, establishes the numerical model. First, takes the value of 30%, 40% and 50% of anchor bolt yield strength as the anchor bolt prestress. Analyzes the distribution characteristics of the anchor bolt prestress in surrounding rock in the case of the original rock stress is not applied. Next applies the original rock stress, analyzes the deformation of surrounding rock under different anchor prestresses. Determines the optimal prestress is 50% of the yield strength of anchor bolt. By the transformation test of pretightening torque underground, confirms the pretightening torque of top anchor bolt is 250 N·m, and the pretightening torque of sides anchor bolt is 200 N·m, the result is good in the field engineering applications.

Key wordsAnchor bolt; Prestress; Large span; Surrounding rock; Stability; Pretightening torque

中圖分類(lèi)號(hào)：TD322

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-0652(2016)01-0026-04

作者簡(jiǎn)介：張建國(guó)(1985—)，男，山西臨縣人， 2015年畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作(E-mail)cgshpu@163.com

收稿日期：2015-11-17