張冠宇

（朔州煤電安監(jiān)分局， 山西 朔州 038300）

引言

錨桿支護(hù)技術(shù)具有許多的優(yōu)點，在各個工程項目上被廣泛采用，目前作為煤礦企業(yè)開采過程中的主要巷道支護(hù)技術(shù)而被廣泛使用。隨著煤礦行業(yè)大采高和綜放技術(shù)的發(fā)展，各地的大型煤礦生產(chǎn)企業(yè)都開采出了大斷面開采巷道。通過對現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)的觀察，對于大斷面巷道的錨桿支護(hù)技術(shù)的研究還不夠全面。目前常研究的是斷面較小的巷道支護(hù)技術(shù)[1]。大斷面巷道所面臨的是地下深層圍巖載荷地應(yīng)力作用，由于身處地下，對于大斷面巷道能否保障其不塌方的安全性有著較高的要求。經(jīng)過統(tǒng)計，在錨桿支護(hù)條件下還會出現(xiàn)大面積冒頂片幫事故，此類現(xiàn)象說明針對大斷面開采巷道的支護(hù)技術(shù)還有待進(jìn)一步研究[2]。

1 大斷面矩形煤巷圍巖的變形特征

大斷面矩形煤巷由于開挖、支護(hù)方便，斷面利用率高，能滿足大型設(shè)備和人員運(yùn)輸通行的需求，已經(jīng)被各大礦山廣泛應(yīng)用。但由于煤巷圍巖本身就比較松軟[3]，再加上斷面較大，造成圍巖變形特別嚴(yán)重，維護(hù)困難，經(jīng)常發(fā)生頂板事故，所以非常有必要對大斷面矩形煤巷的破壞規(guī)律進(jìn)行研究。

巷道開挖前，巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)中，保持著三向應(yīng)力平衡。通過多項研究表明：巷道開挖后，圍巖的應(yīng)力會向四周轉(zhuǎn)移，造成圍巖徑向應(yīng)力減小和切向應(yīng)力增加。徑向應(yīng)力的減小使圍巖使由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為了單向或雙向應(yīng)力狀態(tài)，造成圍巖強(qiáng)度的降低。如果降低后的圍巖強(qiáng)度仍大于集中的切向應(yīng)力，那么圍巖將保持穩(wěn)定，但當(dāng)圍巖強(qiáng)度下降到低于集中的切向應(yīng)力時，圍巖將發(fā)生破壞。圍巖將由邊界向深處分為破裂區(qū)、塑性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[4]。

2 大斷面矩形煤巷支護(hù)參數(shù)設(shè)計

通過對現(xiàn)場大斷面矩形開采巷道的實際觀察走訪，采用工程類比法的方式，對巷道的頂板及巷道兩側(cè)的兩幫支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。

通過各個位置所承受的載荷作用力不同所選用不同的支護(hù)構(gòu)件，主要包括有錨索、螺紋鋼錨桿、塑料網(wǎng)、玻璃鋼錨桿等，將上述構(gòu)件分別布置于向道的頂板及兩幫，采用非對稱式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計布置，每一個構(gòu)件都采用國家所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)件，并且具有互換性便于后期的維護(hù)更換[5]。

根據(jù)地下地層的地質(zhì)構(gòu)造選取不同的錨固構(gòu)件，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)選取的錨桿的直徑應(yīng)符合實際需要，由于錨桿主要受到錨固力的作用，要求所受到的錨固力必須大于制作桿體材料的屈服強(qiáng)度數(shù)值。相關(guān)的參數(shù)設(shè)計均應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可通過查閱相關(guān)的技術(shù)手冊得出數(shù)據(jù)。在完成對參數(shù)的確定后，應(yīng)通過公式計算進(jìn)行校核，參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)考慮安全系數(shù)在1.2～1.5之間[6]。

其中頂板的錨索布置為排距3.0 m和兩側(cè)錨索與巷幫間距為1.5 m的類似矩形方陣。兩側(cè)錨索在水平方巷道巷幫距離為1.8 m。在容易滑脫的構(gòu)建上設(shè)置預(yù)緊部件，通過金屬網(wǎng)格將各個預(yù)緊部件進(jìn)行緊密的結(jié)合。設(shè)計出的大斷面矩形巷道支護(hù)參數(shù)如下頁圖1所示。

3 大斷面煤巷的數(shù)值模型與仿真

3.1 模型的建立

采用有限元數(shù)值模擬分析的方法能夠降低試驗研究的成本，對于各個數(shù)據(jù)的獲取具有直接性，在大斷面采煤巷道的數(shù)值模擬研究中，通過FLAC3D仿真軟件，對研究模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計算。根據(jù)某煤礦實際煤層情況。為反映有效的研究結(jié)果，對煤層建立起三維模型并劃分網(wǎng)格，如下頁圖2所示。

3.2 材料定義與邊界條件

對仿真構(gòu)建的材料定義是否準(zhǔn)確關(guān)系到最終結(jié)果的精確性，通過查閱相關(guān)資料，對煤層中煤炭的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行定義。設(shè)置煤炭的體積模量為8.5 GPa、剪切模量為2.18 GPa、內(nèi)摩擦角為42.23°、內(nèi)聚力為2 200 kN、抗拉強(qiáng)度為3.15 MPa。

圖1 大斷面矩形巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計示意圖（單位：mm）

巷道頂部的邊界由于受到巖石的自然重力作用，在頂部施加巖石的重力載荷，大小約為12 MPa，施加水平應(yīng)力約為巖石重力載荷的2.1倍。并且設(shè)置模型三維各個方向上的邊界條件約束模型的自由移動。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 巷道位移對比分析

將大斷面矩形巷道開挖模擬后的位移數(shù)據(jù)分布情況進(jìn)行對比分析。如圖3所示，沒有設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)的巷道斷面位移情況已延伸至仿真模型的邊界，位移情況影響較遠(yuǎn)，不利于圍巖的安全性。而從設(shè)置有錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的巷道的位移分布云圖可以看出，最大位移出現(xiàn)在巷道的底部，最大位移數(shù)值比沒有設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)的巷道位移數(shù)值下降36.88%，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)在安全性方面取得了較好的效果。

3.3.2 巷道圍巖應(yīng)力分布對比分析

通過仿真數(shù)值分析軟件提取數(shù)據(jù)分析，設(shè)置有支護(hù)結(jié)構(gòu)的巷道在錨桿主動對地層圍巖施加反向作用力的情況下，最大應(yīng)力數(shù)值已由20 MPa減小至10 MPa。通過合理在巷道內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿，巷道的頂板及兩幫的最大應(yīng)力數(shù)值均有明顯的下降，數(shù)值下降率分別為50%、32.11%。如圖4所示，沒有設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)的巷道地層應(yīng)力載荷分布影響較遠(yuǎn)，不利于巷道安全性管理，而設(shè)置有錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)的巷道將地層應(yīng)力載荷作用的影響范圍集中于預(yù)應(yīng)力錨桿作用范圍內(nèi)，有效地提高了錨桿在大斷面巷道支護(hù)作用的應(yīng)用效果。

圖3 巷道位移云圖對比分析

圖4 巷道圍巖應(yīng)力分布云圖對比分析

4 結(jié)語

隨著采煤技術(shù)的不斷完善，開采深度逐漸增加，面對地下深層的惡劣作業(yè)環(huán)境，煤礦企業(yè)為保障自身的開采任務(wù)工作量，確保企業(yè)的全面發(fā)展，通常采用大斷面矩形巷道截面的結(jié)構(gòu)形式，形成對煤炭的開采作業(yè)，在提高了煤炭生產(chǎn)量的同時也對開采的安全性提出了要求。預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)是對此類截面結(jié)構(gòu)形式的圍巖支護(hù)的常用方式，但目前研究人員在應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)時未深入進(jìn)行相關(guān)研究，缺乏科學(xué)性。通過對某地煤礦企業(yè)大斷面矩形巷道布置預(yù)應(yīng)力錨桿的研究，進(jìn)行技術(shù)參數(shù)優(yōu)選，應(yīng)用有限元仿真分析方法計算得出采用了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的巷道在圍巖位移控制以及圍巖載荷應(yīng)力分布方面的安全性更具有優(yōu)異性。