常 桐

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

隨著煤炭開采的不斷增加，深部巷道開采煤炭越來越多，因?yàn)樯畈肯锏浪艿膽?yīng)力較高，巷道及煤層變形也更加明顯，因此研究深部巷道的變形以及支護(hù)有著重要的意義。陳旭光等以淮南礦區(qū)丁集煤礦深部巷道工程為研究對(duì)象，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和模型試驗(yàn)研究，分析了分區(qū)破裂現(xiàn)象的主要特征和變化規(guī)律，指出分區(qū)破裂是與洞室呈同心圓的環(huán)狀拉破壞斷裂，為深部巷道圍巖變形破壞機(jī)理提供了重要的意義[1]；張建華等以大雁二礦為研究背景，通過設(shè)計(jì)錨索復(fù)合支護(hù)技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了三軟煤層支護(hù)[2]；張國(guó)華等指出了錨桿組合支護(hù)作用下巖層變形協(xié)調(diào)原則，同時(shí)給出了錨固錨桿支護(hù)中錨桿長(zhǎng)度、間距、排距、預(yù)緊力4 個(gè)關(guān)鍵支護(hù)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算公式[3]；何滿潮等分析了巷道變形、破壞的原理，利用數(shù)值模擬對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行了計(jì)算，優(yōu)化了支護(hù)方案和耦合設(shè)計(jì)[4]。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)協(xié)同作用下錨桿錨固體進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，豐富了深部巷道軟巖協(xié)同效應(yīng)理論和物理力學(xué)參數(shù)，可供實(shí)際工程參考。

1 錨固體錨桿協(xié)同效應(yīng)的研究

目前所研究的煤礦系統(tǒng)通常為開放的系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含有大量的子系統(tǒng)，眾多子系統(tǒng)以及構(gòu)成要素導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜性，以往的研究利用具體的函數(shù)關(guān)系描述各系統(tǒng)的性質(zhì)，因此巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)中包含龐大的微分方程組，大量的計(jì)算導(dǎo)致計(jì)算出錯(cuò)率也偏高。《協(xié)同學(xué)》一書中，在動(dòng)力學(xué)思想的基礎(chǔ)上以絕熱消去原理為依據(jù)，在復(fù)雜系統(tǒng)中找到起主導(dǎo)作用、支配作用的慢變量，直接忽略快變量對(duì)系統(tǒng)的影響，隨后對(duì)快變量進(jìn)行時(shí)間的求導(dǎo)，從而得到快變量和慢變量的數(shù)學(xué)關(guān)系式，從數(shù)量上來看，慢變量的阻尼系數(shù)一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于快變量的阻尼系數(shù)，計(jì)算結(jié)果得到只含有慢變量的演化方程，即序參量方程。

將復(fù)雜系統(tǒng)中的復(fù)雜問題通過經(jīng)絕熱消去后可得到簡(jiǎn)化后的偏微分方程，龐大的微分方程組簡(jiǎn)化為方程量極少的序參量方程，這種將復(fù)雜方程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單求解的計(jì)算方法稱為支配原理。支配原理將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單問題，提高求解效率的同時(shí)將復(fù)雜系統(tǒng)簡(jiǎn)化為清晰簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，提高計(jì)算的準(zhǔn)確率。

對(duì)于煤礦巷道圍巖的穩(wěn)定控制而言，因?yàn)橄锏琅c巖層之間不斷的進(jìn)行能量交換，為開放的系統(tǒng)，大系統(tǒng)下又包含圍巖系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)及周圍的環(huán)境系統(tǒng)三個(gè)互相獨(dú)立且又關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，形成明顯的協(xié)同效應(yīng)。

本文研究煤礦巷道錨固體錨桿協(xié)同支護(hù)，以深部巷道軟巖為基礎(chǔ)，軟巖因?yàn)橄锏涝诹Φ膫鬟f以及疊加上較硬巖效果好，但是因?yàn)檐泿r的強(qiáng)度小，通過錨桿進(jìn)行支護(hù)的過程中軟巖極易發(fā)生破碎，因此不足以支撐錨桿預(yù)緊力施加給錨固體的剪應(yīng)力，本文以石英砂為骨料，將水泥和石膏作為膠結(jié)料，通過此配比的模型完成錨桿預(yù)緊力與錨固體的協(xié)同效應(yīng)研究，本文中錨桿數(shù)量分別為2 根和4 根，不同數(shù)量的錨桿在不同預(yù)緊力錨固體應(yīng)力分布不同，通過手電鉆減少安裝過程中錨固體的損傷。

2 根錨桿錨固體鉆裝加載步驟如下：調(diào)試計(jì)算機(jī)，確保計(jì)數(shù)系統(tǒng)正常，將應(yīng)變磚接線接入應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中；分別給錨桿施加8 N·m、16 N·m、24 N·m 的預(yù)緊力，采用恒位移加載進(jìn)行試壓，不同預(yù)緊力下間隔1 min 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；單個(gè)錨桿完成數(shù)據(jù)采集后，同時(shí)給兩個(gè)錨桿施加預(yù)緊力，采集數(shù)據(jù)并保存。

4 根錨桿錨固體鉆裝加載步驟如下：調(diào)試計(jì)算機(jī)，確保計(jì)數(shù)系統(tǒng)正常，將應(yīng)變磚接線接入應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中；分別給錨桿施加8 N·m、16 N·m、24 N·m 的預(yù)緊力，采用恒位移加載進(jìn)行試壓，不同預(yù)緊力下間隔1 min 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；單個(gè)錨桿完成數(shù)據(jù)采集后，同時(shí)給兩個(gè)錨桿施加預(yù)緊力，采集數(shù)據(jù)并保存；兩個(gè)錨桿完成數(shù)據(jù)采集后，同時(shí)給三個(gè)錨桿施加預(yù)緊力，采集數(shù)據(jù)并保存；三個(gè)錨桿完成數(shù)據(jù)采集后，同時(shí)給四個(gè)錨桿施加預(yù)緊力，采集數(shù)據(jù)并保存。

試驗(yàn)過程中利用聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)試樣的破壞過程進(jìn)行輔助分析。

2 協(xié)同效應(yīng)下錨固體強(qiáng)度特性的研究

圖1 為不同工況下錨固體應(yīng)力- 應(yīng)變與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系曲線，從圖中可以看出，不同工況下試樣變形破壞差異明顯，未加錨試塊試樣（見圖1-1）在進(jìn)行單軸壓縮的過程中，試樣變形為整體性破壞，在軸向壓力不斷施加的過程中，聲發(fā)射系統(tǒng)有明顯的斷裂聲，試樣表現(xiàn)為一定的脆性，圖1-2 為施加2根錨桿單軸壓縮數(shù)據(jù)圖，因?yàn)殂@孔的影響作用，導(dǎo)致試樣內(nèi)部有一定程度的裂紋，在預(yù)緊力的作用下，因?yàn)殂@孔帶來的弱面有一定的承載能力，當(dāng)軸向壓力不斷增大時(shí)，兩根錨桿之間的預(yù)緊力發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，因此，試樣并未發(fā)生整體性破壞，破壞后試樣依舊有很大的殘余強(qiáng)度，試樣的塑性得到增強(qiáng)，在破壞過程中裂紋主要沿著錨固體表面向縱向擴(kuò)展，且軸向應(yīng)力越大，貫穿現(xiàn)象愈加明顯；圖1-3 為施加4 根錨桿單軸壓縮數(shù)據(jù)圖，因?yàn)殂@孔數(shù)量的增加，使得錨固體中裂紋擴(kuò)展明顯，雖然有預(yù)緊力的存在，但是因?yàn)殄^桿密度過于集中，導(dǎo)致部分區(qū)域強(qiáng)度大，在軸壓的持續(xù)作用下，出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象，錨固體的整體強(qiáng)度下降明顯。

由此可得，鉆孔對(duì)于試樣的完整性存在破壞作用，合理的錨桿密度可以有效地增強(qiáng)試樣抵抗破壞的能力，鉆孔密度過高容易導(dǎo)致試樣強(qiáng)度下降，起不到支護(hù)的作用。

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)可以有效地表征試樣單軸壓縮中的破壞過程，當(dāng)試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，破裂面產(chǎn)生，因此，聲發(fā)射活動(dòng)明顯，振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到最大值；4根錨桿預(yù)緊力作用下試樣的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)最大，2根錨桿預(yù)緊力次之，未加錨試塊最小，因?yàn)殂@孔的原因，導(dǎo)致試樣內(nèi)部存在大量的裂紋，在軸向壓力的作用下，原始裂紋以及因?yàn)殂@孔帶來的裂紋先閉合，隨后產(chǎn)生新增裂紋，因此，聲發(fā)射較為活躍，不同的是，2 根錨桿作用下的錨固體在峰值強(qiáng)度后依舊有聲發(fā)射現(xiàn)象，表明試樣有很大的承載能力，因此可得，合理的錨桿密度可以有效的提高試樣的承載能力，本實(shí)驗(yàn)中，2 根錨桿可以是最佳選擇。

圖1 不同工況下錨固體應(yīng)力- 應(yīng)變與聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系曲線

圖2 錨固體黏聚力與預(yù)緊力矩關(guān)系曲線

圖2 為錨固體黏聚力與預(yù)緊力矩關(guān)系曲線，從圖中可以看出，試樣的黏聚力隨預(yù)緊力矩的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，錨桿數(shù)量為2 時(shí)，黏聚力最大增加13.1%，最小增加1.9%；錨桿數(shù)量為4 時(shí)，黏聚力最大增加42.4%，最小增加4.3%；施加預(yù)緊力矩之后，因?yàn)閰f(xié)同效用的存在，相互影響的應(yīng)力影響區(qū)疊加形成具有一定承載能能力的承壓拱，因此錨固體的承載能力提高；4 根錨桿預(yù)緊力矩作用下的試樣黏聚力最大，可以看出，錨桿密度越大，黏聚力越大，但是并不代表試樣的強(qiáng)度越大，只能說明試樣的強(qiáng)度有所增加，在實(shí)際的工程中，應(yīng)該綜合考慮各種因素，實(shí)現(xiàn)支護(hù)強(qiáng)度的最大化。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)深部巷道錨固體錨桿協(xié)同支護(hù)進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，通過對(duì)不同錨桿預(yù)緊力錨桿密度對(duì)協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行研究，從抗壓強(qiáng)度、聲發(fā)射特征以及黏聚力等方面分析了錨固體的承載機(jī)理與穩(wěn)定性，得到結(jié)論：采用不同預(yù)緊力和錨桿密度對(duì)錨固體力學(xué)性質(zhì)有不同程度的提升，但過多的錨桿密度會(huì)減弱錨固體承載能力及穩(wěn)定性，錨桿數(shù)為2 時(shí)的錨固體協(xié)同率最大，試樣的承載能力最大。