黃 俊

（同煤集團忻州窯礦安監(jiān)站，山西 大同 037021）

1 引言

錨桿支護是控制巷道圍巖形變、巖層離層、頂板垮落的常見方式。錨桿形成的附加應力場與巷道開挖后的次生應力場產(chǎn)生相互作用力，形成井下綜合應力場，保持巷道圍巖各巖層的穩(wěn)定[1]。本文結合忻州窯礦7 號煤層的實際參數(shù)和支護條件，進行了分組探究性試驗，進一步明確預緊力、間排距以及錨索布置方式對錨桿支護附加應力場的影響效果，從而找到最優(yōu)的支護方案。

2 模型參數(shù)設定及建立

同煤集團忻州窯礦采用綜采放頂煤工藝，平均厚度為7.23m，地層傾角2°~5°之間，工作面長度200m，生產(chǎn)能力超過1.5M/a。通過地質報告獲取了7 號煤層頂?shù)装鍘r石的具體參數(shù)。在FLAC3D數(shù)值模擬軟件中，采用摩爾庫倫模型進行應力場變化計算，忽略地應力、重力加速度影響，以cable單元表示錨桿，以pretension 參數(shù)表示預緊力，構建（x，y，z）為（50，30，48）的巷道環(huán)境模型，選取中間位置，以group、delete 參數(shù)設定5m×4m的巷道。

3 預緊力與錨桿支護附加應力場關系試驗

為確定預緊力與錨桿支護附加應力場之間的關系，選取單根錨桿和錨索進行探究性試驗。基本要求如下：選定巷道頂部中間位置，插入一個錨桿或錨索，通過改變預緊力數(shù)值，得到一系列的錨桿（索）附加應力場效果圖。其參數(shù)設計方案如表1 所示。

表1 單錨桿（索）下預緊力參數(shù)設計方案

3.1 相同預緊力下錨桿（索）的附加應力場特征

經(jīng)過多組試驗比較可知，在不同預緊力情景下，單根錨桿（索）的附加應力場表現(xiàn)出相近特征，故選取40kN 的預緊力參數(shù)進行相同預緊力的錨桿（索）附加應力場分析更加有說服力，其附加應力等值面如圖1 所示。

圖1 40kN 下錨桿（索）附加應力等值面圖

在預緊力參數(shù)值相等的情況下，錨桿與錨索在托盤位置出現(xiàn)了附加壓應力峰值且附加應力向圍巖深處逐漸減小。其中，錨桿的附加壓應力值集中在托盤附近，錨固段幾乎沒有產(chǎn)生附加拉應力；錨索的附加應力則快速下降，其錨固段附近出現(xiàn)了附加拉應力，十分明顯。在巷道圍巖加固中，附加拉應力會產(chǎn)生負作用，故需要避免在錨固段附近存在分離層和巖層分離面[2]。

3.2 不同預緊力下錨桿（索）的附加應力場峰值變化

在10 組試驗的基礎上，結合錨桿（索）產(chǎn)生的附加應力場形態(tài)圖，對不同預緊力的錨桿（索）附加應力場峰值進行了記錄和整理，并以應力峰值來衡量預緊力對附加應力場的影響作用，從而明確預緊力與附加應力場之間的關系。

通過錨桿（索）附加應力峰值曲線圖可以看出，預緊力與錨桿附加應力場之間存在著正相關的線性關系，即隨著預緊力的增加，錨桿（索）附加應力峰值增加。這一研究成果為同條件下增加錨桿（索）預緊力提高支護性能提供了可靠的試驗依據(jù)。

4 間排距與錨桿（索）附加應力場關系試驗

為確定間排距與錨桿（索）附加應力場之間的關系，選取60kN 的錨桿、120kN 的錨索進行逐一試驗。基本要求如下：在巷道圍巖頂?shù)装暹x擇同一預緊力的錨桿或錨索，采用相同的布置結構，只允許間排距參數(shù)不同。其具體方案如表2 所示。

表2 錨桿（索）群間排距參數(shù)設計方案

通過錨桿（索）的6 組試驗，明確了間排距與錨桿（索）附加應力場之間的關系。由于錨桿（索）采用了同樣的間排距參數(shù)，并且對應參數(shù)下其附加應力場效果差異性不大，故選取了更為常見的錨桿附加應力進行規(guī)律分析。試驗得到的效果圖如圖2所示。

圖2 不同間排距下附加應力場效果等值圖

從圖2 的附加應力場等值效果看，當錨桿群的間排距為600×600mm 時，圍巖頂、兩側以及底板出現(xiàn)了較小的外圍壓力，巷道圍巖形成了均勻連續(xù)的附加壓應力區(qū)，能夠保障巷道的穩(wěn)定不變性。而隨著間排距的增加，尤其是1000×1000mm 時，附加壓應力的值正在減小，附加壓應力區(qū)出現(xiàn)薄弱位置，即將出現(xiàn)斷裂，且錨固段的附加拉應力區(qū)在巷道兩側明顯增大，對巷道支護的穩(wěn)定性影響較大，不利于長期支護。

5 錨索布置方式與錨桿（索）附加應力場的關系

為了確定錨索布置方式與錨桿（索）附加應力場之間的關系，選取800×800mm 的間排距方案，在錨桿（索）群試驗的基礎上進行錨索布置方式的研究?；疽螅涸诒Ｕ项A緊力、間排距條件一致的情況下，探究錨桿群增加不同錨索布置方式后巷道圍巖附加應力場的效果。其具體設計方案如表3所示。

表3 錨索布置方式參數(shù)設計方案

為了能夠突顯出錨索布置方式的不同對試驗結果的影響，選定了兩個對附加應力場作用效果較差的參數(shù)。采用同樣的數(shù)值模擬方式，對巷道圍巖的附加應力場進行了數(shù)值化處理和分析，得到了對應布置方式的附加應力場等值效果圖。通過比較可知，在錨桿群預緊力相同的情況下，巷道圍巖的頂?shù)装濉⑾锏纼蓚鹊母郊永瓚龅臄?shù)值、范圍大大縮??；巷道圍巖周圍的附加壓應力場薄弱點消失，形成了連續(xù)、穩(wěn)定的附加壓應力區(qū)[3]。這一變化有效地證明了錨索布置能夠發(fā)揮增強巷道圍巖穩(wěn)定性的作用。同時，在不同錨索布置方案中，“三花”、“五花”都能夠較好地為巷道圍巖頂板提供強大、連續(xù)、均勻的附加壓應力，確保巷道綜合應力場達到新的平衡，而“二二”布置方式則無法為巷道圍巖頂板提供較大的附加壓應力，存在著支護風險[4]?？傊^索布置方式能夠增加錨桿（索）支護效果，且“三花”、“五花”布置方式效果較為理想。

6 現(xiàn)場應用效果

綜采放頂煤工藝具有開采速度快、回采擾動大、圍巖破碎嚴重等情況。出于對煤礦開采安全考慮，確定了錨桿預緊力參數(shù)為60kN，間排距參數(shù)為600×600mm；錨索預緊力參數(shù)為120kN，布置方案設計為“五花”的巷道圍巖支護方案。此方案應用在綜采工作面上下平巷支護。為證明此支護方案的有效性，對上下平巷圍巖的頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭偷淖冃瘟窟M行了跟蹤監(jiān)測。在工作面向前推進的同時，布設相應的觀測點，對與工作面相距140m 的距離進行了長期位移監(jiān)測。在距離工作面100m 內，巷道的頂?shù)装搴蛢蓭突緵]有出現(xiàn)變形，隨著距離的縮短，巷道的頂?shù)装迮c兩幫出現(xiàn)了不同程度的變形，尤其在0~40m 之間，圍巖兩幫的累計偏移量平均超過200mm，頂?shù)装宓钠屏砍^150mm。與之前其他支護方案相比，此方案的偏移量相對較少，具有控制圍巖變形的作用。

7 結論

通過試驗與現(xiàn)場應用的綜合性研究，明確了巷道圍巖錨桿（索）支護附加應力場與預緊力、間排距以及錨索布置方式之間的內在關系，為更多的巷道圍巖支護工作提供了理論依據(jù)和方案指導。具體如下：

（1）錨桿（索）支護附加應力場大小與預緊力大小正相關，隨著錨桿（索）預緊力的增大，附加應力場也會相應增加。

（2）在一定范圍內，隨著錨桿間排距的增加，附加應力場的壓應力程度、區(qū)域連續(xù)性以及支護影響范圍會逐漸減小，使附加應力區(qū)出現(xiàn)薄弱位置，影響支護效果。

（3）錨索布置方式能夠明顯增強錨桿附加應力場的支護效果，擴大連續(xù)、均勻的應力場區(qū)，能夠為錨桿（索）支護提供強有力的支撐，形成更加穩(wěn)定的綜合應力場。