郝長(zhǎng)勝尚 東孫 明張 培陳 政

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010）

巷道錨桿錨索預(yù)緊力協(xié)同支護(hù)的研究?

郝長(zhǎng)勝1尚 東1孫 明1張 培1陳 政2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010）

以現(xiàn)有支護(hù)形式、支護(hù)構(gòu)件和協(xié)同支護(hù)理論為基礎(chǔ)，在不考慮原巖應(yīng)力的條件下，應(yīng)用FLAC3D模擬軟件對(duì)錨桿、錨索不同預(yù)緊力在圍巖中引起的應(yīng)力場(chǎng)值和范圍進(jìn)行模擬，以尋求二者合理預(yù)緊力匹配值。結(jié)果表明當(dāng)錨桿、錨索預(yù)緊力值匹配分別為40/150 k N和60/200 k N時(shí)，兩者達(dá)到協(xié)同支護(hù)。協(xié)同支護(hù)不僅縮短圍巖穩(wěn)定周期，提高掘進(jìn)效率，而且增大巷道圍巖內(nèi)壓應(yīng)力值、擴(kuò)大壓應(yīng)力區(qū)范圍，有效降低巷道圍巖收斂值。

巷道支護(hù) 錨桿索支護(hù) 協(xié)同支護(hù) 預(yù)應(yīng)力 數(shù)值模擬

我國(guó)煤炭企業(yè)支護(hù)成本高的主要原因:一是受錨桿預(yù)緊力低影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)在巷道圍巖自身失去支護(hù)能力時(shí)才產(chǎn)生作用，未將支護(hù)系統(tǒng)與巷道圍巖系統(tǒng)作為一個(gè)完整的體系進(jìn)行考慮，致使增加錨桿支護(hù)密度；二是一味追求高強(qiáng)度、高剛度的支護(hù)構(gòu)件，并未考慮各支護(hù)構(gòu)件之間協(xié)同作用及憑經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致支護(hù)密度不合理，普遍偏大，進(jìn)一步提高了支護(hù)成本。為了降低支護(hù)成本、提高效率和增加煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，眾多學(xué)者對(duì)錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)進(jìn)行研究。已有研究表明相比于普通支護(hù)，協(xié)同支護(hù)技術(shù)可以有效降低頂板和兩幫變形量。因錨桿、錨索預(yù)緊力對(duì)巷道圍巖影響程度最為顯著，即錨桿、錨索預(yù)緊力值匹配是否合理將作為是否協(xié)同支護(hù)的重要參考指標(biāo)，所以筆者以錨桿、錨索預(yù)緊力值為研究對(duì)象，在保證巷道圍巖絕對(duì)穩(wěn)定前提下，充分發(fā)揮錨桿、錨索支護(hù)作用與材料性能，減少支護(hù)材料的使用，達(dá)到降低支護(hù)成本和提高巷道掘進(jìn)效率目的。

1　錨桿、錨索預(yù)緊力協(xié)同支護(hù)原理

協(xié)同支護(hù)是指對(duì)各支護(hù)構(gòu)件中各因素的考慮，如錨桿、錨索預(yù)緊力等，合理匹配各支護(hù)構(gòu)件的各因素，充分發(fā)揮各構(gòu)件的作用與性能，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)，所產(chǎn)生的總力量遠(yuǎn)大于各支護(hù)構(gòu)件力量總和 ，即為1+1＞2的支護(hù)效果。協(xié)同支護(hù)被分為廣義協(xié)同支護(hù)和狹義協(xié)同支護(hù)。廣義協(xié)同支護(hù)是指包括圍巖、環(huán)境與支護(hù)體的協(xié)同效應(yīng)、不同支護(hù)體的協(xié)同效應(yīng)以及同一支護(hù)體支護(hù)參數(shù)間的協(xié)同效應(yīng)。而本文暫時(shí)考慮的是不同錨桿、錨索預(yù)緊力值協(xié)同作用，即狹義協(xié)同支護(hù)。

錨桿、錨索預(yù)緊力協(xié)同支護(hù)是協(xié)同支護(hù)的重要組成部分，二者之間的協(xié)同，不僅要達(dá)到預(yù)緊力值之間的協(xié)同，而且在作用時(shí)機(jī)即錨桿、錨索預(yù)緊力對(duì)圍巖的作用時(shí)機(jī)也要達(dá)到協(xié)同。

首先，錨桿、錨索預(yù)緊力值達(dá)到協(xié)同。巷道開(kāi)挖后，預(yù)緊力錨桿錨固頂板形成組合梁結(jié)構(gòu)，改變頂板受力狀態(tài)和提高支護(hù)強(qiáng)度。然后利用錨索的懸吊作用將錨固體承載結(jié)構(gòu)傳到堅(jiān)硬頂板中，使得集中應(yīng)力向頂板深部、穩(wěn)定處轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到穩(wěn)定巷道圍巖的目的。

其二，錨桿、錨索作用時(shí)機(jī)達(dá)到協(xié)同。由于錨索的延伸量遠(yuǎn)小于巷道圍巖變形量，因而在巷道開(kāi)挖后，首先安裝預(yù)緊力錨桿，提高圍巖抗拉、抗壓強(qiáng)度，但允許圍巖有一定形變，釋放能量。在圍巖自穩(wěn)定極限達(dá)到之前和剩余形變量小于錨索允許的延伸量時(shí)，安裝預(yù)緊力錨索，從而避免預(yù)緊力錨桿、錨索單獨(dú)支護(hù)，進(jìn)一步縮小圍巖形變量，最終產(chǎn)生1+1＞2協(xié)同支護(hù)效果。

2　錨桿錨索預(yù)緊力大小匹配模擬

2.1模擬方案

在不考慮原巖應(yīng)力的條件下，應(yīng)用有限差分計(jì)算軟件Fl AC3D對(duì)錨桿、錨索預(yù)緊力引起的應(yīng)力場(chǎng)—錨桿、錨索預(yù)緊力場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過(guò)在巷道圍巖中形成的壓應(yīng)力值和壓應(yīng)力場(chǎng)范圍尋求二者合理預(yù)緊力匹配值。巷道斷面為矩形，斷面尺寸為3000 mm×2000 mm（寬×高），巷道直接頂、基本頂分別為粉砂巖、泥巖，平均厚度分別為3.26 m和30.85 m。巷道布置在煤層中，沿頂板掘進(jìn)。直接底為泥巖，平均厚度為6.73 m，煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算模型尺寸為20 m×10 m× 30 m（長(zhǎng)×寬×高），并分別固定x、y方向上前后和左右端面，固定z方向上的底面。具體支護(hù)方案為錨桿間排距為750 mm×750 mm、錨索間排距為1000 mm×1000 mm時(shí)，錨桿預(yù)緊力分別為40 k N、60 k N，錨索預(yù)緊力分別為50 k N、100 k N、150 k N、200 k N，將不同錨桿、錨索預(yù)緊力進(jìn)行方案匹配并進(jìn)行模擬，共需模擬8次。

表1　煤層頂?shù)装鍘r性

2.2模擬及結(jié)果分析

在巷道圍巖中，高壓應(yīng)力值和大范圍壓應(yīng)力區(qū)是實(shí)現(xiàn)良好支護(hù)效果的基礎(chǔ)，而錨桿、錨索預(yù)緊力協(xié)同支護(hù)是實(shí)現(xiàn)大范圍壓應(yīng)力區(qū)的根本。為實(shí)現(xiàn)錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)，尋求合理的預(yù)緊力匹配方案，對(duì)不同的錨桿、錨索預(yù)緊力匹配不同方案進(jìn)行模擬，具體模擬結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2，圖中黑色部分為拉應(yīng)力區(qū)，其他色部分為不同壓應(yīng)力值的壓應(yīng)力區(qū)。

圖1顯示，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為40 k N、錨索預(yù)緊力為50 k N時(shí)，在巷道頂板中，錨桿、錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)已完全覆蓋了錨桿錨固區(qū)，但位于錨桿端頭附近出現(xiàn)了較大范圍的拉應(yīng)力力區(qū)，起始位置約在錨索的1/2處，并沿著錨索延伸至頂板深處。隨著錨索預(yù)緊力的增大，巷道頂板中拉應(yīng)力區(qū)范圍不斷減小，而壓應(yīng)力區(qū)范圍不斷增大。特別是當(dāng)錨索預(yù)緊力增大至150 k N時(shí)，壓應(yīng)力區(qū)基本覆蓋了模擬巷道的整個(gè)頂板。繼續(xù)增大錨索預(yù)緊力至200 k N時(shí)，巷道頂板壓應(yīng)力區(qū)范圍基本無(wú)明顯變化，存在著預(yù)緊力浪費(fèi)現(xiàn)象，即而存在支護(hù)材料的浪費(fèi)，該匹配方案不合理。因此，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為40 k N，錨索預(yù)緊力為150 k N時(shí)，錨桿、錨索達(dá)到協(xié)同支護(hù)，充分發(fā)揮了錨桿、錨索支護(hù)性能。

圖1　錨桿預(yù)緊力40 k N時(shí)，與錨索匹配方案模擬結(jié)果圖

圖2　錨桿預(yù)緊力60 k N時(shí)，與錨索匹配方案模擬結(jié)果圖

圖2顯示，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為60 k N，錨索預(yù)緊力為50 k N時(shí)，在巷道頂板內(nèi)形成一定范圍的壓應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)。當(dāng)錨索預(yù)緊力增大至100 k N時(shí)，巷道頂板拉應(yīng)力區(qū)范圍明顯縮小，而壓應(yīng)力區(qū)范圍增大，有效提高巷道頂板穩(wěn)定性，支護(hù)效果顯著增強(qiáng)。隨著錨索預(yù)緊力的不斷增大，巷道頂板內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)范圍不斷減小，壓應(yīng)力區(qū)范圍不斷增大。當(dāng)錨索預(yù)緊力達(dá)到200 k N時(shí)，巷道頂板內(nèi)壓應(yīng)力區(qū)基本覆蓋了整個(gè)巷道頂板。繼續(xù)增大錨索預(yù)緊力，對(duì)巷道頂板內(nèi)的壓應(yīng)力區(qū)范圍增幅變化影響較小，支護(hù)效果變化不明顯。因而可得，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為60 k N與錨索預(yù)緊力為200 k N匹配時(shí)，錨桿、錨索達(dá)到協(xié)同支護(hù)。

當(dāng)錨索預(yù)緊力相同時(shí)，隨著錨桿預(yù)緊力的增大，巷道頂板內(nèi)拉應(yīng)力區(qū)范圍并未縮小，反而出現(xiàn)增大現(xiàn)象，充分說(shuō)明當(dāng)錨索預(yù)緊力一定時(shí)，與其匹配的錨桿預(yù)緊力并非越大越好。只有當(dāng)錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案合理、達(dá)到協(xié)同支護(hù)時(shí)，在巷道頂板內(nèi)才能形成大范圍的壓應(yīng)力區(qū)，錨桿、錨索支護(hù)性能才能充分發(fā)揮，有效控制巷道圍巖的形變量，減少支護(hù)材料浪費(fèi)，達(dá)到降低支護(hù)成本的目的，同時(shí)協(xié)同支護(hù)也是支護(hù)的本質(zhì)。

3　工程試驗(yàn)

3.1巷道支護(hù)方案

陜西彬縣下溝煤礦ZF301工作面回風(fēng)巷原支護(hù)方式為錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿直徑為16 mm，錨桿長(zhǎng)度1600 mm，錨索直徑17.8 mm，錨索長(zhǎng)度6150 mm，錨桿、錨索所提供的原預(yù)緊力為30/150 k N。為了得到錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案為40/150 k N和60/200 k N的協(xié)同支護(hù)效果，在陜西彬縣下溝煤礦ZF301工作面回風(fēng)巷300～350 m和1200～1250 m處進(jìn)行工程實(shí)踐。考慮到錨桿、錨索預(yù)緊力值與強(qiáng)度、剛度的協(xié)同性，因而選擇不同的支護(hù)參數(shù)，具體的巷道斷面支護(hù)參數(shù)與支護(hù)方式見(jiàn)圖3。

3.2支護(hù)效果分析

對(duì)兩種支護(hù)方案的試驗(yàn)巷道和原支護(hù)方案的原支護(hù)巷道（原預(yù)緊力支護(hù)巷道）圍巖收斂量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可以看到，當(dāng)錨桿、錨索提供不同預(yù)緊力時(shí)，對(duì)巷道圍巖變形趨勢(shì)基本不產(chǎn)生影響，基本呈現(xiàn)先增后減最終達(dá)到穩(wěn)定趨勢(shì)。相比于原支護(hù)方案，錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案為40/150 k N時(shí)，巷道圍巖收斂值較小，而在匹配方案為60/ 200 k N，圍巖變形量最小，約250 mm。巷道圍巖發(fā)生形變至達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，原預(yù)緊力大約需要30 d左右，而預(yù)緊力為40/150 k N時(shí)，約在25 d達(dá)到穩(wěn)定，60/100 k N僅需15～18 d，大大縮短穩(wěn)定周期。因而可得，巷道圍巖變形基本趨勢(shì)不受錨桿、錨索預(yù)緊力匹配方案的影響，但對(duì)巷道圍巖收斂值大小影響較為嚴(yán)重。增加錨桿預(yù)緊力并提供與該預(yù)緊力相匹配的錨索預(yù)緊力、錨桿強(qiáng)度與剛度時(shí)，不僅可以減小巷道圍巖收斂值，有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)也可以縮短圍巖變形周期，提高掘進(jìn)效率，為該工作面后期巷道支護(hù)材料的選型提供合理的科學(xué)依據(jù)。

圖3　錨桿—錨索預(yù)緊力最佳匹配支護(hù)方案

圖4　巷道圍巖收斂值關(guān)系圖

4　結(jié)論

（1）錨桿、錨索預(yù)緊力協(xié)同支護(hù)是以合理預(yù)緊力值匹配為研究對(duì)象，其目的是在充分發(fā)揮錨桿、錨索各支護(hù)構(gòu)件的性能與作用，從而產(chǎn)生1+1＞2的支護(hù)效果，降低支護(hù)成本。

（2）錨桿預(yù)緊力值為40 k N應(yīng)與錨索預(yù)緊力為150 k N進(jìn)行匹配，而錨桿預(yù)緊力值為60 k N與錨索預(yù)緊力值為200 k N，協(xié)同性較好。

（3）當(dāng)錨索預(yù)緊力相同時(shí)，錨桿預(yù)緊力越大，頂板壓應(yīng)力區(qū)范圍并不隨之增大。只有當(dāng)錨桿、錨索預(yù)緊力達(dá)到協(xié)同支護(hù)時(shí)，巷道頂板壓應(yīng)力區(qū)范圍較廣，基本覆蓋頂板區(qū)域，有利于充分發(fā)揮支護(hù)材料的支護(hù)作用，避免支護(hù)材料浪費(fèi)。

（4）不同錨桿、錨索預(yù)緊力匹配，對(duì)巷道圍巖變化趨勢(shì)沒(méi)有影響，但對(duì)變形量影響較大。當(dāng)錨桿、錨索預(yù)緊力值達(dá)到協(xié)同時(shí)，不僅可以有效控制巷道圍巖變形量，提高巷道圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)也縮短了圍巖變形周期，大大提高掘進(jìn)效率。

［1］ 張農(nóng)，高明仕.煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（5）

［2］ 馬其華，樊克恭，郭世平等.錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展前景與制約因素［J］.中國(guó)煤炭，1998（5）

［3］ 劉剛，龍景奎，劉學(xué)強(qiáng)等.巷道穩(wěn)定的協(xié)同學(xué)原理及應(yīng)用技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012（37）

［4］ 李元，劉剛，龍景奎.深部巷道預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)數(shù)值分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011（2）

［5］ 唐紅，朱曉菲.巷道錨桿錨索協(xié)同支護(hù)數(shù)值模擬研究［J］.中國(guó)煤炭，2014（4）

［6］ 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（7）

［7］ 蘇海.錨索預(yù)緊力對(duì)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布影響研究［J］.中國(guó)煤炭，2010（9）

［8］ 王金華，康紅普，高富強(qiáng).錨索支護(hù)傳力機(jī)制與應(yīng)力分布的數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008（1）

［9］ 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007

（責(zé)任編輯 張毅玲）

Research on cooperating support of anchor bolts and cables with pretightening force for roadway

Hao Changsheng1，Shang Dong1，Sun Ming1，Zhang Pei1，Chen Zheng2
（1.School of Mining and Coal Industry，Inner Mongolia University of Science&Technology，Baotou，Inner Mongolia 014010，China；2.Research Institute of Mining，Inner Mongolia University of Science&Technology，Baotou，Inner Mongolia 014010，China）

Based on existing supporting form，supporting components and theory of cooperating support，without regard to stress of primary rock，numerical simulation on value and range of stress field in surrounding rock caused by different pretightening forces of anchor bolts and cables was performed by using software FLAC 3D，which was to study the reasonable matching value of pretightening forces of bolts and cables.The results showed that，when the pretighening force values of bolts and cables were respectively 40k N and 150k N or respectively 60k N and 200k N，the two reached cooperating support.The cooperating support not only shortened the stability cycle of surrounding rock and improved driving efficiency，but also increased value and range of surrounding rock＇s pressure stress and reduced convergence value of roadway surrounding rock.

roadway support，anchor bolt-cable support，cooperating support，pretension，numerical simulation

TD353

A

?內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（S20151012708）

郝長(zhǎng)勝（1963-）男，內(nèi)蒙古包頭人碩士生導(dǎo)師，教授，主要從事采礦系統(tǒng)工程、煤礦地下礦開(kāi)采方面的研究。