孟海東 崔小晉 劉占寧

(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，014000)

錨桿支護(hù)可以有效提高礦井圍巖的穩(wěn)定性，為井下作業(yè)提供良好的工作條件，極大減少了頂板坍塌等事故，為煤礦的安全生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。

專家學(xué)者在錨桿支護(hù)方面的研究取得了大量的成果。陳文強(qiáng)等通過(guò)理論計(jì)算結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度大小規(guī)律并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，隨著錨桿傾角的增大，錨桿軸向力發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度在降低，橫向剪切力發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度在增大；陳麗俊等建立了鎖腳錨桿—鋼拱架聯(lián)合承載力學(xué)模型，并對(duì)其橫向效應(yīng)和軸向效應(yīng)進(jìn)行分析，討論了打設(shè)角度對(duì)鎖腳錨桿內(nèi)力和變形的影響，分析了不同參數(shù)對(duì)拱頂下沉的影響規(guī)律。

從上述研究成果中可以看出，學(xué)者對(duì)錨桿的材料、結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、間排距和預(yù)緊力做了比較深入的研究，對(duì)圍巖彈性模量和剪切剛度，圍巖塑性區(qū)和彈性區(qū)以及離層圍巖對(duì)錨桿的影響也做了較多的研究，但對(duì)錨桿角度的優(yōu)化以及變化規(guī)律研究的還比較少。為達(dá)到最好的支護(hù)效果，錨桿支護(hù)角度需要也隨煤層傾角的變化而改變，本文將對(duì)不同煤層傾角下頂錨桿的支護(hù)角進(jìn)行研究，希望找出頂錨桿支護(hù)角度變化時(shí)，頂板位移、兩幫位移以及底鼓之間的聯(lián)系。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

本文選用FLAC3D軟件進(jìn)行模型的建立與支護(hù)模擬研究，以棋盤井煤礦0903回采巷道的地質(zhì)條件為工程背景。0903工作面煤層埋深400 m，煤層厚度約3 m，煤層上部為細(xì)砂巖和泥質(zhì)砂巖，下部為砂質(zhì)泥巖，巷道左側(cè)為實(shí)體煤，右側(cè)為采空區(qū)。模型頂部為自由邊界，側(cè)面和底部施加約束進(jìn)行固定，上覆巖層自重應(yīng)力取10 MPa，采空區(qū)施加的壓應(yīng)力取22 MPa，模型尺寸為50 m×30 m×20 m，巷道尺寸為5 m×3 m(寬×高)，模型先加載后開挖，破壞準(zhǔn)則為摩爾—庫(kù)倫彈塑性屈服準(zhǔn)則。各巖層巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖層巖石力學(xué)參數(shù)

圖1 錨桿支護(hù)數(shù)值模擬模型

錨桿支護(hù)數(shù)值模擬模型如圖1所示，從下到上依次為砂質(zhì)泥巖、煤、泥質(zhì)砂巖和細(xì)砂巖。

根據(jù)巷道三位一體的原則，頂板、兩幫和底板相互影響，為了達(dá)到最好的支護(hù)效果，頂板、兩幫和底板均進(jìn)行錨桿支護(hù)，并且在頂板進(jìn)行錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。

本文研究的位移并非基于某個(gè)點(diǎn)的位移值，而是各種位移的最大值，即圍巖表面的位移量，例如Z方向頂板位移的最大值在頂板表面，X方向左幫位移的最大值在左幫表面。

2 不同煤層傾角下錨桿支護(hù)圍巖位移變化規(guī)律研究

2.1 圍巖位移規(guī)律研究

煤層傾角為10°時(shí)頂板和右?guī)臀灰谱兓鐖D2所示。由圖2可知，Z方向頂板位移在90°～100°的錨桿支護(hù)角度區(qū)間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。頂板位移和右?guī)臀灰茻o(wú)相關(guān)性,發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能在于塑性區(qū)和破碎區(qū)比例的變化。

圖2 煤層傾角為10°時(shí)頂板和右?guī)臀灰谱兓?/p>

煤層傾角為10°時(shí)左幫和右?guī)臀灰谱兓鐖D3所示。由圖3可知，左幫位移和右?guī)臀灰凭哂辛己玫姆聪蛲叫浴?/p>

圖3 煤層傾角為10°時(shí)左幫和右?guī)臀灰谱兓?/p>

煤層傾角為10°時(shí)頂板位移和底鼓量變化如圖4所示。由圖4可知，頂板位移和底鼓具有較弱的同步性。

圖4 煤層傾角為10°時(shí)頂板位移和底鼓量變化

煤層傾角/(°)頂板和右?guī)妥髱秃陀規(guī)晚敯搴偷坠?0無(wú)關(guān)反向同步同步11無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)反向同步12無(wú)關(guān)同步同步13同步反向同步反向同步14反向同步無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)15反向同步反向同步反向同步16同步無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)17同步同步無(wú)關(guān)18同步無(wú)關(guān)反向同步

圍巖位移規(guī)律總結(jié)見表2。分析表2的結(jié)果可知，煤層傾角為12°～16°時(shí)，左幫位移和右?guī)臀灰频耐叫耘c頂板位移和底鼓的同步性相同，也就是說(shuō)當(dāng)左幫位移和右?guī)臀灰仆皆黾踊驕p小時(shí)，頂板位移和底鼓也在同步增加或較小，當(dāng)左幫位移和右?guī)臀灰品聪蛲皆黾踊驕p小時(shí)，頂板位移和底鼓也在反向同步增加或較小。

2.2 位移標(biāo)準(zhǔn)差規(guī)律研究

標(biāo)準(zhǔn)差反映一組數(shù)據(jù)的離散程度。位移標(biāo)準(zhǔn)差則反映了頂錨桿支護(hù)角度變化下圍巖的穩(wěn)定程度，標(biāo)準(zhǔn)差越小則代表圍巖越穩(wěn)定。

圖5 不同煤層傾角下位移標(biāo)準(zhǔn)差分布

不同煤層傾角下位移標(biāo)準(zhǔn)差分布如圖5所示。由圖5可知，煤層傾角為10°～18°時(shí)，左幫位移標(biāo)準(zhǔn)差和右?guī)臀灰茦?biāo)準(zhǔn)差具有很強(qiáng)的同步性，說(shuō)明煤層傾角的變化對(duì)兩幫穩(wěn)定性的影響是相同的。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能與塑性區(qū)和彈性區(qū)的比例變化率有關(guān)。煤層傾角為10°～14°時(shí)，頂板位移標(biāo)準(zhǔn)差和底鼓標(biāo)準(zhǔn)差具有很強(qiáng)的同步性，說(shuō)明煤層傾角的變化對(duì)頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相同的，當(dāng)煤層傾角的增加使頂板更加穩(wěn)定時(shí)，煤層傾角的增加也會(huì)使底鼓更加穩(wěn)定。煤層傾角為14°～18°時(shí)，頂板位移標(biāo)準(zhǔn)差和底鼓標(biāo)準(zhǔn)差具有很強(qiáng)的反向同步性，說(shuō)明煤層傾角的變化對(duì)頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相反的，當(dāng)煤層傾角的增加使頂板更加穩(wěn)定時(shí)，煤層傾角的增加則會(huì)使底鼓更加不穩(wěn)定。

2.3 位移最小時(shí)的支護(hù)角規(guī)律研究

當(dāng)頂板位移最小時(shí)，頂板錨桿的支護(hù)角度稱為頂板位移的最佳支護(hù)角。當(dāng)?shù)坠淖钚r(shí)，頂板錨桿的支護(hù)角度稱為底鼓的最佳支護(hù)角。當(dāng)左幫位移最小時(shí)，頂板錨桿的支護(hù)角度稱為左幫位移的最佳支護(hù)角。當(dāng)右?guī)臀灰谱钚r(shí)，頂板錨桿的支護(hù)角度稱為右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角。

不同煤層傾角下位移最小時(shí)的支護(hù)角變化如圖6所示。

圖6 不同煤層傾角下位移最小時(shí)的支護(hù)角變化

由圖6可知，煤層傾角為10°～18°時(shí)，頂板位移和底鼓的最佳支護(hù)角具有良好的反向同步性，當(dāng)由于煤層傾角的變化使得頂板位移的最佳支護(hù)角增加時(shí)，底鼓的最佳支護(hù)角減小；當(dāng)由于煤層傾角的變化使得頂板位移的最佳支護(hù)角減小時(shí)，底鼓的最佳支護(hù)角會(huì)增大。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因與塑性區(qū)和破碎區(qū)的比例有關(guān)。煤層傾角為12°～15°時(shí)，左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角具有很強(qiáng)的同步性，當(dāng)由于煤層傾角的變化使左幫位移的最佳支護(hù)角增加時(shí)，右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角也會(huì)增加；當(dāng)由于煤層傾角的變化使的左幫位移的最佳支護(hù)角減小時(shí)，右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角也會(huì)減小。煤層傾角為10°～12°和15°～18°時(shí)，左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角則具有良好的反向同步性，當(dāng)由于煤層傾角的變化使得左幫位移的最佳支護(hù)角增加時(shí)，右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角會(huì)減??；當(dāng)由于煤層傾角的變化使得左幫位移的最佳支護(hù)角減小時(shí)，右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角會(huì)增大。

不同煤層傾角下總位移最小時(shí)的支護(hù)角見表3。由表3可知，最佳支護(hù)角在91°～93°區(qū)間的煤層傾角有5個(gè)，按總位移從小到大排列可知，91°～93°是最佳支護(hù)角出現(xiàn)的最佳區(qū)間。

表3 不同煤層傾角下總位移最小時(shí)的支護(hù)角

3 結(jié)論

本文采用FLAC3D軟件模擬分析不同煤層傾角錨桿支護(hù)圍巖位移相關(guān)性規(guī)律如下：

(1)煤層傾角為10°～18°時(shí)，頂板位移和右?guī)臀灰?、左幫位移和右?guī)臀灰?、頂板位移和底鼓的關(guān)系均比較復(fù)雜，沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。煤層傾角為12°～16°時(shí)，左幫位移和右?guī)臀灰频耐叫耘c頂板位移和底鼓的同步性是相同的。

(2)煤層傾角為10°～18°時(shí)，煤層傾角的變化對(duì)兩幫穩(wěn)定性的影響是相同的；煤層傾角為10°～14°時(shí)，煤層傾角的變化對(duì)頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相同的；煤層傾角為14°～18°時(shí)，煤層傾角的變化對(duì)頂板和底鼓穩(wěn)定性的影響是相反的。

(3)煤層傾角為10°～18°時(shí)，頂板位移和底鼓的最佳支護(hù)角具有良好的反向同步性；煤層傾角為12°～15°時(shí)，左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角具有很強(qiáng)的同步性；煤層傾角為10°～12°和15°～18°時(shí)，左幫位移和右?guī)臀灰频淖罴阎ёo(hù)角具有良好的反向同步性。

(4)總體而言，煤層傾角為10°～18°時(shí)，91°～93°的頂板錨桿支護(hù)角度是最佳支護(hù)角出現(xiàn)的最佳區(qū)間。

[1] 陳文強(qiáng)，賈志欣，趙宇飛等. 剪切過(guò)程中錨桿的軸向和橫向作用分析 [J]. 巖土力學(xué), 2015(1)

[2] 陳麗俊，張運(yùn)良，馬震岳等. 軟巖隧洞鎖腳錨桿-鋼拱架聯(lián)合承載分析 [J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015(1)