胡瀚超

（大同市青磁窯煤礦，山西 大同 037000）

引言

錨桿支護(hù)是目前井下礦用一種比較安全的支護(hù)形式，其是以錨桿為主體的支護(hù)結(jié)構(gòu)，有錨桿、錨噴網(wǎng)及錨噴等支護(hù)形式。錨桿支護(hù)形式是利用在煤層中成孔后，將錨桿埋入并灌注水泥砂漿或水泥，同時借助于煤巖層與錨固體間作用產(chǎn)生的摩擦力、拉桿強(qiáng)度等共同作用于支護(hù)機(jī)構(gòu)上的外部載荷[1]。在井下煤礦中，錨桿支護(hù)能夠顯著增強(qiáng)巷道周邊圍巖，具有支護(hù)成本低、勞動強(qiáng)度低、成巷速度快及改善井下環(huán)境及作業(yè)條件，因此，錨桿支護(hù)已經(jīng)成為礦井巷道常用的支護(hù)形式[2]。

錨桿對礦井煤巖的加固作用主要表現(xiàn)在：一是依據(jù)錨桿的抗拉作用，當(dāng)錨桿穿過破碎的煤層進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的巖層后，對不穩(wěn)定煤層發(fā)揮著懸吊作用；二是將煤巖與錨桿聯(lián)接為一體，不僅使煤巖的抗變形能力提升，且使煤巖的整體性也加強(qiáng)；三是在錨桿的作用下會產(chǎn)生三向應(yīng)力，使邊界煤層的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變，使煤層的承載能力增強(qiáng)；四是錨桿的抗剪作用會對離層煤層產(chǎn)生阻礙作用，使煤層間的摩擦力增大，可避免煤層出現(xiàn)相對滑動現(xiàn)象，進(jìn)而在各煤層中形成組合梁作用形式[3]。

因此，錨桿支護(hù)作為一種主動支護(hù)形式，其支護(hù)效果的有效性，不僅可以明顯加固巷道周邊圍巖，且大幅提升圍巖的穩(wěn)定性[4]。本文主要對比分析有無錨桿不同支護(hù)作用時，圍巖和錨桿的位移變化情況，進(jìn)而確定合理有效的錨桿支護(hù)方案，保證礦井圍巖的穩(wěn)定性，降低煤礦事故發(fā)生率。

1 錨固圍巖變形對錨桿支護(hù)作用的影響分析

為了便于分析在井下巷道掘進(jìn)及回采工作面動壓作用下，有無錨桿支護(hù)作用時，圍巖和錨桿的位移變化情況，主要對比研究以下三種方案：

方案一：無錨桿支護(hù)作用。建立圖1 所示的模型，在模型的前側(cè)自由面，沿X 軸正方向，從中心點(diǎn)設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)，間距是20 mm。同時，在相同水平面，沿Y 軸正方向，也設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)，間距40 mm，對模型上表面施加邊界應(yīng)力并計(jì)算。

圖1 三種方案下，監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置示意圖

方案二：有錨桿支護(hù)作用。在模型的前側(cè)自由面，沿Y 軸正方向，從中心點(diǎn)處進(jìn)行端部錨桿支護(hù)。錨桿支護(hù)設(shè)置參數(shù)是：長度400 mm、直徑20 mm、在錨桿自由端設(shè)置預(yù)應(yīng)力大小60 kN，并設(shè)置與方案（1）同樣的模型監(jiān)測點(diǎn)，同樣，對模型上表面施加邊界應(yīng)力并計(jì)算。

方案三：有錨桿支護(hù)作用。錨桿支護(hù)作用時，固定錨桿的錨固端頭和模型邊界，當(dāng)圍巖出現(xiàn)變形時，錨桿整體不能同步產(chǎn)生位移。另外，監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置同于方案（1），而錨桿設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)和計(jì)算過程同于方案（2）。

通過監(jiān)測三種錨桿支護(hù)方案，沿X 軸正方向圍巖自由面中心點(diǎn)的水平位移變化情況，得到第179 頁圖2 所示的曲線。從圖2 中可看出，對于方案一，當(dāng)無錨桿支護(hù)作用時，圍巖表面與中心點(diǎn)任意不同位置處的位移量接近；對于方案二和方案三，隨著錨桿中心距監(jiān)測點(diǎn)距離的增加，圍巖表面位移量逐漸減小，對于方案三，由于將錨桿的錨固段固定于圍巖上，不會影響圍巖的表面變形，使得圍巖表面和內(nèi)部的位移量存在較大的差值，且方案三中各監(jiān)測點(diǎn)的位移量均比方案二小。因此，對比可得出，方案三中錨桿的錨固段與圍巖固定時，錨桿對圍巖的變形效果控制最佳。

圖2 對比三種方案，圍巖自由面水平方向的位移變化曲線

通過監(jiān)測三種錨桿支護(hù)方案，沿Y 軸正方向圍巖內(nèi)部的位移變化情況，得到圖3 所示的變化曲線，從圖3 中可以看出，對于方案一，當(dāng)無錨桿支護(hù)作用時，隨監(jiān)測點(diǎn)距表面距離的增大，圍巖內(nèi)部位移量逐步減??；對于方案二，在預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用下，圍巖內(nèi)部各監(jiān)測點(diǎn)的位移量與方案一的變化趨勢基本相近，當(dāng)距圍巖表面0 mm～40 mm 區(qū)間時，位移量相比于方案一，明顯減??；當(dāng)距圍巖表面320 mm～380 mm 區(qū)間內(nèi)，位移量又明顯大于方案一，因此，可得出，在圍巖內(nèi)部距表面40 mm 區(qū)間內(nèi)，錨桿具有很好的支護(hù)效果，但是在320 mm～380 mm 區(qū)間內(nèi)，由于圍巖表面變形使圍巖與錨桿錨固劑出現(xiàn)剪應(yīng)力，從而造成此區(qū)間內(nèi)的位移量增大；對于方案三，由于將錨桿的錨固段固定于圍巖上，使其位移發(fā)生變化無法同步，并在托板支護(hù)的影響下，圍巖內(nèi)部距表面80 mm 區(qū)間內(nèi)，位移量增大顯著，當(dāng)大于此區(qū)間時，位移量又明顯減小。因此，可得出，在圍巖內(nèi)部距表面80 mm 區(qū)間內(nèi)，托盤對錨固圍巖內(nèi)部具有有效的支護(hù)作用，且根據(jù)托盤下部巖體表面的位移量可得出，受圍巖變形作用，錨桿桿體形成的拉伸量大約是3.5 mm。

圖3 對比三種方案，圍巖內(nèi)部沿錨桿軸向的位移變化曲線

通過深入分析方案二和方案三不同錨桿支護(hù)作用下，錨桿拉伸變形的情況，得到圖4 所示的變化曲線，從圖4-1 中可看出，錨桿自由端到錨固段的拉伸變形量是逐步增大；圖4-2 中，錨桿自由端到錨固端的拉伸變形量是逐步減小。

圖4 對比方案二和方案三，錨桿的拉伸變形量變化曲線

2 結(jié)論

為提升錨桿支護(hù)的效果，進(jìn)而提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。本文主要對比分析有無錨桿不同支護(hù)作用時，圍巖和錨桿的位移變化情況，結(jié)論是：

1）當(dāng)將錨桿的錨固段固定于圍巖上時，圍巖內(nèi)部距表面80 mm 區(qū)間內(nèi)，位移量逐漸增大，且位移量顯著小于無錨桿支護(hù)圍巖，并在40 mm～80 mm 區(qū)間內(nèi)的位移量達(dá)到最大值，此時，錨桿對圍巖具有很好的支護(hù)效果；當(dāng)大于此區(qū)間時，位移量又逐漸小，且當(dāng)錨桿出現(xiàn)位移時，圍巖與錨固劑產(chǎn)生的剪應(yīng)力使圍巖的位移量比無錨桿支護(hù)時明顯增大。

2）當(dāng)將錨桿的錨固段固定于圍巖上時，錨桿自由端到錨固端的拉伸變形量逐漸減?。欢还潭〞r，錨桿自由端到錨固端的拉伸變形量是逐漸增大。