牛昌盛

(陽泉市大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程背景

某礦21采區(qū)內(nèi)2號煤層厚度0.95～1.6m，平均1.3m，屬薄～中厚煤層，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，層位穩(wěn)定，頂板為黑色泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖。該煤層由于整合前小窯開采破壞，存有小范圍采空區(qū)及老空舊巷。主要含水層為第四系松散孔隙含水層，二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組、山西組砂巖裂隙含水層，石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r、砂巖裂隙含水層，奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層。

2 錨桿支護數(shù)值模擬研究

錨桿支護通過將錨固區(qū)內(nèi)的錨桿和圍巖整合成一個整體承載結(jié)構(gòu)，不僅能夠承擔自身重量和變形壓力，還能對外部圍巖起到支承作用，限制圍巖變形從而保持巷道圍巖的穩(wěn)定性。錨桿對煤巖體的加固作用主要是在以下三方面：

懸吊作用。錨桿支護的懸吊作用，突出的表現(xiàn)在直接頂較薄，老頂較堅固的情況下，錨桿將下部不穩(wěn)定的巖層懸吊在上步穩(wěn)固的巖層上，由錨桿承擔軟巖或危巖的重量，以達到井巷穩(wěn)定的目的。

錨桿的組合梁作用。組合梁理論適用于頂板由多層小厚度連續(xù)性巖層組成的巷道，其原理是在沒有穩(wěn)固巖層提供懸吊支點的薄層狀巖層中，可利用錨桿的拉力將層狀地層組合起來，形成組合梁結(jié)構(gòu)進行支護。并借助錨桿本身提供一定的抗剪能力，阻止其層間錯動，是防止分層在壓力作用下發(fā)生整體彎曲變形，呈現(xiàn)出組合狀態(tài)，從而提高頂板的抗彎剛度及強度。

錨桿的減跨作用。如果把不穩(wěn)定的頂板巖層看成是支撐在兩幫的疊合梁，由于可視懸吊在老頂上的錨桿為支點，安設(shè)了錨桿就相當于增加了支點，從而減小了頂板的跨度，使頂板巖層的彎曲應(yīng)力和撓度得到降低，維持了頂板穩(wěn)定。

本次本次模擬相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

2102運輸巷為矩形斷面，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，掘進斷面14m2，毛寬5000mm，毛高2800mm，凈斷面12.96m2，凈寬4800mm，凈高2700mm；頂錨間排距為700×1000mm，幫錨間排距為700×1000mm；兩幫最上面和最下面以及頂板兩邊的夾角為10°；錨索間排距為2000×1400mm。

其中頂部錨桿支護：桿體為Ф20左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2200mm。錨固方式：采用1卷MSCK2370樹脂錨固劑錨固，鉆孔直徑為28mm，設(shè)計錨固力105kN。錨桿配件：采用拱型高強度托盤，規(guī)格150×150×8mm，頂部兩邊采用異形托盤，規(guī)格150×150×10mm。

兩幫錨桿支護：錨桿：采用MGSL∕Φ18×2200mm玻璃纖維增強塑料桿體全螺紋式樹脂錨桿。錨固方式：加長錨固，采用1卷MSCK2370樹脂錨固劑錨固，錨固力不低于60kN。錨桿配件：采用礦用W型鋼帶WX280∕3.0，規(guī)格500×250mm。具體形式如圖1。

2.1 模型的建立

模型運用有限差分軟件FLAC3D，以2102運輸巷來進行建模。模型大小為100×100×100(長×寬×高，單位為m)，共計645000個單元。上覆巖層以均布力的形式施加，下部固定豎直方向的位移，四周邊界固定水平方向的位移。巖體的具體物理力學參數(shù)如表1所示。

圖1 2102運輸巷斷面支護示意圖

表1 煤巖物理力學參數(shù)

2.2 結(jié)果及分析

FLAC3D軟件對巷道進行開挖及支護模擬，提取巷道的豎直位移和水平位移云圖如圖2所示，以查看巷道的頂?shù)装逡约皟蓭偷淖冃吻闆r。

由圖2可以看出，巷道的豎直位移和水平位移云圖趨勢都呈現(xiàn)出圍巖變形非對稱的破壞特征。在此支護條件下，頂板的下沉量為62mm，底鼓量為41mm，頂?shù)装宓囊七M量為103mm；兩側(cè)巷幫的移進量達到了73mm左右。這說明本次設(shè)計的錨桿支護方案進行了相應(yīng)的巷道圍護以后，巷道的變形得到了控制，整體力學性能得到了提高。本來是松散的圍巖，經(jīng)由錨桿作用也成了一個整體，整個巷道在開挖過程安全穩(wěn)定，利于工作的進行。

圖2 位移云圖

為了保證錨桿能夠充分發(fā)揮其作用，會在兩幫的頂角處讓錨桿與煤壁設(shè)置一定的夾角，以減小錨桿所受到的剪力，一次使得錨桿的抗拉強度能夠充分發(fā)揮。由圖3錨桿錨索的受力圖可以看出，錨桿受力方向基本與錨桿長度方向一致，所以錨桿受剪切力的影響較小，不易導致錨桿的剪切破壞而失效，能夠充分發(fā)揮其強度，說明錨桿與煤壁間的夾角設(shè)置合適。

圖3 錨桿錨索受力圖

3 現(xiàn)場應(yīng)用

模擬結(jié)果顯示該方案安全可靠，將其應(yīng)用于現(xiàn)場實際，實際監(jiān)測效果如下：

圖4 巷道圍巖收斂情況

由圖4可以看出，2102運輸巷的圍巖得到了較好的控制：巷道在開挖之后，圍巖的位移開始急劇變化，在10天之內(nèi)上升的速度最快，在之后的40天內(nèi)，上升速度開始放緩，但是仍然在上升。50天之后，圍巖位移開始區(qū)域平穩(wěn)，變化不再明顯。在整個監(jiān)測時期中，兩幫的移進量都要比頂?shù)装宓囊七M量大。在觀測結(jié)束以后，兩幫的最終變形量為94mm，頂?shù)装宓囊七M量為62mm。在前10天，巷道剛開始開挖，原巖應(yīng)力遭到破壞，巷道的頂?shù)装搴蛢蓭涂焖僮冃危?0天之后擾動效應(yīng)變?nèi)?，原巖變化的速率放緩但仍然有向內(nèi)變化的趨勢。開挖50天以后，巷道逐漸成型，支護措施完善，巷道處于一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)，此時巷道圍巖幾乎無變化。變形控制較好，在合理范圍之內(nèi)。相較于模擬來說，變形較大一些，究其原因是由于實際現(xiàn)場情況較為復(fù)雜導致變形也會大一些。

圖5 錨桿軸力監(jiān)測曲線

軸力監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明：錨桿荷載在巷道內(nèi)工作時，頂部錨桿軸力>幫錨桿軸力>頂角錨桿軸力。且無論是，頂部錨桿、幫錨桿亦或是頂角錨桿，隨時間的增大，錨桿的軸力都會越來越大，并最終趨向于一個穩(wěn)定的數(shù)值；其中頂部錨桿在達到穩(wěn)定的時間要比幫部和頂板中部的錨桿達到穩(wěn)定的時間要早很多。且頂板中部的錨桿承受荷載要比其它兩個部位大。究其原因是因為頂板中部的錨桿發(fā)揮了懸吊作用，導致兩幫的擠壓作用較小，進而導致幫部的錨桿承載的力較小。頂角的作用主要是用來加固，其軸力最小。支護系統(tǒng)和圍巖共同發(fā)揮了作用，最終錨桿軸力趨向于穩(wěn)定。支護效果良好。

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬可知，經(jīng)由本次設(shè)計的錨桿支護方案進行了相應(yīng)的巷道圍護以后，巷道的變形得到了控制，整體力學性能得到了提高。本來是松散的圍巖，經(jīng)由錨桿作用也成了一個整體，整個巷道在開挖過程安全穩(wěn)定，利于工作的進行。

(2)由模擬可得，巷道的豎直位移和水平位移云圖趨勢都呈現(xiàn)出圍巖變形非對稱的破壞特征；頂?shù)装宓囊七M量為103mm；兩側(cè)巷幫的移進量達到了73mm左右。錨桿與煤壁間的夾角設(shè)置合適，不易導致錨桿的剪切破壞而失效，能夠充分發(fā)揮其強度。

(3)根據(jù)現(xiàn)場觀測可知，圍巖較為穩(wěn)定，錨桿處于正常受力狀態(tài)，沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)的變形破壞，兩幫變形在合理范圍之內(nèi)，斷面收縮率滿足安全生產(chǎn)需要。說明2102運輸巷的支護設(shè)計合理可靠。