高云龍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)惠源焦煤有限公司， 山西 鄉(xiāng)寧 042100）

引言

煤礦巷道支護(hù)效果是保證工作面安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。錨桿支護(hù)作為當(dāng)前煤礦巷道支護(hù)的主流手段之一，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固，提升巷道整體的強(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)工作面巷道在水平或者垂直方向上的位移進(jìn)行限制的作用。隨著錨桿支護(hù)理論及應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)錨桿施加一定的預(yù)應(yīng)力可改善其支護(hù)效果，并實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面巷道圍巖的主動(dòng)支護(hù)，避免頂板發(fā)生下沉兩幫發(fā)生片幫事故[1]，而合理確定預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)應(yīng)力值是發(fā)揮其支護(hù)效果的關(guān)鍵。本文將對(duì)不同錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)煤礦井巷支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 工程概況

本文以中煤集團(tuán)下屬的柳林煤礦為例開展相關(guān)研究，該煤礦目前可供開采的煤層包括有2 號(hào)、3號(hào)、4 號(hào)等7 個(gè)煤層。其中，本文以2 號(hào)煤層所屬工作面為例對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力對(duì)煤礦井巷的支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行研究。2 號(hào)煤層對(duì)應(yīng)的煤層傾角較小，且對(duì)應(yīng)煤層平均厚度為3.5 m。該煤層所屬巷道的形狀為矩形，對(duì)應(yīng)巷道寬度為4.1 m，巷道高度為3.5 m。本文研究的重點(diǎn)為預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)巷道頂板及兩幫的支護(hù)效果，故需掌握2 號(hào)煤層工作面的頂板特性，如表1 所示。

2 不同錨桿預(yù)應(yīng)力支護(hù)效果分析

為驗(yàn)證不同錨桿預(yù)應(yīng)力值對(duì)巷道支護(hù)效果的影響，本節(jié)將對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力值為0、50 kN、100 kN、200 kN 等四種預(yù)應(yīng)力錨桿在工作面巷道圍巖所產(chǎn)生的應(yīng)力值進(jìn)行模擬分析，所采用數(shù)值模擬軟件為MIDAS GTS。根據(jù)2 號(hào)煤層工作面巷道斷面的尺寸，所建立數(shù)值模模型的長度為45 m、寬度為40 m，其中對(duì)應(yīng)巷道的寬度為4.1 m、高度為3.5 m。模型中對(duì)應(yīng)巷道頂板所采用支護(hù)錨桿的參數(shù)如下：頂板錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 m，每排錨桿與錨桿之間的間距為0.9 m，錨桿排之間的間距為1 m；兩幫錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 m，每排錨桿與錨桿之間的間距為0.9 m，錨桿排之間的間距為1 m。此外，頂板和兩幫錨桿的類型均為左旋螺紋鋼錨桿。

表1 2 號(hào)煤層工作面頂板巖層參數(shù)

2.1 不同錨桿預(yù)應(yīng)力下巷道圍巖應(yīng)力場的分布

不同預(yù)應(yīng)力錨桿在支護(hù)過程中對(duì)工作面巷道圍巖所產(chǎn)生的應(yīng)力場不同，本節(jié)對(duì)不同錨桿預(yù)應(yīng)力（0、50 kN、100 kN、200 kN）在工作面巷道支護(hù)中所產(chǎn)生的應(yīng)力場進(jìn)行逐一分析，當(dāng)采用普通錨桿支護(hù)時(shí)，即錨桿預(yù)應(yīng)力值為0 時(shí)在巷道圍巖所產(chǎn)生應(yīng)力場的值為0[2]，故本節(jié)注重對(duì)預(yù)應(yīng)力值為50 kN、100 kN 和200 kN 的情況進(jìn)行分析，所得到的數(shù)值模擬結(jié)果如下頁圖1 所示。

如圖1 所示，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力值小于100 kN 時(shí)，隨著預(yù)應(yīng)力的增大對(duì)應(yīng)巷道圍巖所生成的承壓帶的強(qiáng)度和厚度均會(huì)明顯增加，但當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力值大于100 kN 后，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增大對(duì)應(yīng)錨桿巷道圍巖所生成的承壓帶的強(qiáng)度和厚度的變化不明顯[3]。此外，在預(yù)應(yīng)力錨桿的作用下，工作面巷道圍巖所承受以壓應(yīng)力為主，對(duì)提升巷道圍巖的承載能力具有重要意義。

2.2 不同錨桿預(yù)應(yīng)力下X、Z 方向原巖應(yīng)力場的變化

第2.1 節(jié)中著重對(duì)不同預(yù)應(yīng)力值對(duì)工作面巷道圍巖的應(yīng)力場變化進(jìn)行逐一分析，本節(jié)將對(duì)預(yù)應(yīng)力值分別為 0、50 kN、100 kN 以及 200 kN 下對(duì)應(yīng)的巷道在X 方向原巖應(yīng)力場的變化進(jìn)行逐一分析，數(shù)值模擬仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖1 不同預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)應(yīng)巷道圍巖應(yīng)力場分布模擬結(jié)果

如圖2 所示，當(dāng)工作面巷道開始進(jìn)行開采后X方向的原巖應(yīng)力場重新處于平衡狀態(tài)，而且在工作面巷道相對(duì)較淺的位置，其對(duì)應(yīng)圍巖的承載能力較差；巷道位置越深的部位，對(duì)應(yīng)圍巖的承載能力越強(qiáng)[4]。此外，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增加不論是巷道淺部還是在巷道深度所對(duì)應(yīng)的破壞程度均在減弱。

同理，對(duì)不同預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)Z 方向原巖應(yīng)力場的變化進(jìn)行逐一分析。經(jīng)仿真分析可知，在錨桿支護(hù)的作用下，工作面巷道頂板的應(yīng)力場值大于巷道底板的應(yīng)力場值；而且，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增加對(duì)應(yīng)巷道頂板和底板的應(yīng)力集中位置不斷向巷道深部轉(zhuǎn)移。

2.3 不同錨桿預(yù)應(yīng)力下巷道圍巖塑性變形區(qū)域分析

本節(jié)將對(duì)預(yù)應(yīng)力值分別為0、50 kN、100 kN 以及200 kN 下對(duì)應(yīng)的巷道圍巖的塑性變形區(qū)域的變化進(jìn)行逐一分析，數(shù)值模擬仿真結(jié)果如下頁圖3 所示。

圖2 不同預(yù)應(yīng)力對(duì)應(yīng)X 方向原巖應(yīng)力場變化分析

如圖3 所示，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增加，對(duì)應(yīng)巷道的塑性變形區(qū)域越小，而且，若在巷道開采初期就采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，可有效控制巷道塑性變形區(qū)域的擴(kuò)展。與此同時(shí)，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增加，工作面巷道的承載能力得到提升，對(duì)應(yīng)巷道的拉伸破壞區(qū)域和剪切破壞均在適當(dāng)減小。

經(jīng)本節(jié)對(duì)不同預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)對(duì)工作面巷道圍巖應(yīng)力場分布、X 方向上原巖層應(yīng)力場變化、Z 方向原巖應(yīng)力場變化以及對(duì)巷道圍巖的塑性變形區(qū)域等影響進(jìn)行逐一分析發(fā)現(xiàn)，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力值的增加巷道的應(yīng)力集中位置向其深部轉(zhuǎn)移，且巷道整體的承載能力均在提升；但是，對(duì)于巷道承壓帶的強(qiáng)度和厚度而言，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力值小于100 kN 時(shí)其增加幅度明顯，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力值大于100 kN 時(shí)其變化不明顯。因此，綜合考慮現(xiàn)場施工的難易程度和成本控制，一般將錨桿預(yù)應(yīng)力值控制在100 kN 以下即可。

圖3 不同預(yù)應(yīng)力對(duì)應(yīng)巷道圍巖的塑性變形區(qū)域的變化

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的工程應(yīng)用效果分析

根據(jù)表1 中所列出的2 號(hào)煤層頂板各類巖層的參數(shù)特性，結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式得出2 號(hào)煤層工作面的理論錨桿支護(hù)預(yù)應(yīng)力最小值為41.56 kN。故，將2 號(hào)煤層工作面所采用錨桿支護(hù)的預(yù)應(yīng)力值設(shè)定為42 kN，其對(duì)應(yīng)頂板和兩幫錨桿的參數(shù)如下：錨桿直徑為20 mm，錨桿長度為2 m，每排錨桿與錨桿之間的間距為0.9 m，錨桿排之間的間距為1 m。同時(shí)，頂板和兩幫的錨桿均采用樹脂進(jìn)行錨桿。

本節(jié)將對(duì)上述預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)和普通錨桿支護(hù)下對(duì)巷道兩幫和頂板的圍巖控制效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 普通錨桿支護(hù)和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)效果對(duì)比

如表2 所示，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后頂板的位移量由普通錨桿支護(hù)對(duì)應(yīng)的194 mm 降低為66 mm，降低約66%；采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)后兩幫的移近量由普通錨桿支護(hù)對(duì)應(yīng)的133 mm 降低為48 mm，降低約64%；而且對(duì)應(yīng)頂板下沉速度和兩幫移近速度明顯降低。

4 結(jié)論

錨桿支護(hù)為當(dāng)前對(duì)工作面巷道圍巖控制的主要方式，目前預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)可對(duì)巷道圍巖應(yīng)力場、各個(gè)方向原巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布，尤其在工作面開采初期應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)可有效控制工作面塑性變形區(qū)域的擴(kuò)展[5]。本文對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)在2 號(hào)煤層工作面的應(yīng)用進(jìn)行數(shù)值模擬分析和支護(hù)效果驗(yàn)證，具體總結(jié)如下：

1）預(yù)應(yīng)力錨桿可有效控制工作面巷道圍巖，尤其是預(yù)應(yīng)力值小于100 kN 時(shí)其支護(hù)的性價(jià)比最高；

2）預(yù)應(yīng)力錨桿在2 號(hào)煤層工作面的應(yīng)用，與普通錨桿支護(hù)相比較其頂板位移量減少約為66%，兩幫移近量減少約為64%。