張智明

（晉能控股集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司機(jī)掘一隊(duì)， 山西 大同 037001）

引言

隨著煤炭開采業(yè)的不斷發(fā)展，大采高、綜放技術(shù)和綜采技術(shù)不斷趨于成熟?，F(xiàn)階段，許多煤礦的回采巷道以及大巷都是在煤層中掘進(jìn)的，這使得巷道內(nèi)形成許多大斷面矩形煤巷。大斷面矩形煤巷具有支護(hù)方便、開挖簡(jiǎn)單、斷面利用率高、可滿足各類設(shè)備運(yùn)輸需求等特點(diǎn)，被各大煤炭企業(yè)廣泛應(yīng)用。但大斷面矩形煤巷技術(shù)也有其弊端，煤巷圍巖松軟易碎以及大斷面的形成，使得煤巷圍巖極易發(fā)生變形且幅度較大，再加上巷道維護(hù)困難較大，煤巷內(nèi)頂板事故發(fā)生極為頻繁[1]。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文以某煤礦為例，采用預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索結(jié)合的支護(hù)方法對(duì)該煤礦進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)分析，以期對(duì)大斷面矩形煤巷錨桿支護(hù)研究有所幫助。

1 大斷面矩形煤巷圍巖應(yīng)力變化分析

隨著綜放技術(shù)與綜采技術(shù)的發(fā)展，巷道斷面面積不斷增加，許多巷道斷面已達(dá)到20 m2，并且大多數(shù)為全煤巷道?，F(xiàn)階段，對(duì)于大斷面巷道的范圍定義尚不明確，通常將綜放與大采高回采巷道認(rèn)定為大斷面。

在巷道未開挖時(shí)，巖體處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)。開挖后，原有的應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，巖體出現(xiàn)應(yīng)力升高與應(yīng)力下降區(qū)，使得巖體發(fā)生變形現(xiàn)象。圍巖應(yīng)力的具體變化為：巷道的開挖會(huì)使圍巖應(yīng)力四散，減小圍巖的徑向應(yīng)力，增大圍巖的切向應(yīng)力。徑向應(yīng)力減小后，圍巖的三向應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閱坞p向應(yīng)力，降低圍巖強(qiáng)度。當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于切向應(yīng)力時(shí)，該圍巖將處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)圍巖強(qiáng)度小于切向應(yīng)力時(shí)，圍巖將被破壞。矩形巷道的開挖會(huì)使頂板的水平應(yīng)力增加和垂直應(yīng)力減小，而巷道兩幫的應(yīng)力則相反，為水平應(yīng)力減小和垂直應(yīng)力增加。兩幫會(huì)在應(yīng)力作用下發(fā)生變形，頂板會(huì)在應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲下沉。由于頂板所受變形應(yīng)力較大，故頂板會(huì)先出現(xiàn)破壞，從而將應(yīng)力向兩幫集中，再造成兩幫變形破壞[2-3]。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)數(shù)值模擬分析

普通的錨桿支護(hù)對(duì)于圍巖只有加固與支護(hù)作用，只有當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí)，錨桿才會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生加固與支護(hù)作用，屬于被動(dòng)支護(hù)方法。由于大斷面煤巷圍巖較為松軟且易破碎，低預(yù)應(yīng)力、低強(qiáng)度的被動(dòng)支護(hù)錨桿的支護(hù)效果十分不理想。故本文提出采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的方法，巷道開挖圍巖發(fā)生應(yīng)力變形后，預(yù)應(yīng)力錨桿可及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行加固支護(hù)，防止圍巖發(fā)生進(jìn)一步變形，提升圍巖穩(wěn)定性。

本文擬使用FLAC3D 軟件對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)過(guò)程的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬范圍設(shè)定為55 m×20 m×44 m，可生成52 920 個(gè)節(jié)點(diǎn)與48 400個(gè)網(wǎng)格。煤巷開挖5 m×20 m×4 m 的矩形巷道，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方法，錨桿對(duì)圍巖產(chǎn)生壓應(yīng)力并不斷擴(kuò)散，壓應(yīng)力的重疊作用使得圍巖形成穩(wěn)定的壓縮帶，提高圍巖穩(wěn)定性[4-5]。

2.1 單錨桿預(yù)應(yīng)力模擬分析

錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散的規(guī)律主要與錨桿的長(zhǎng)度與預(yù)緊力大小有關(guān)。通過(guò)模擬不同預(yù)緊力作用與不同錨桿長(zhǎng)度下的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散，可分析出預(yù)緊力與長(zhǎng)度的變化對(duì)預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散造成的影響[6-7]。長(zhǎng)度、預(yù)緊力與預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散關(guān)系示意圖如下頁(yè)圖1 所示。

圖1-1 為100 kN 預(yù)緊力作用下，單錨桿不同長(zhǎng)度的壓應(yīng)力擴(kuò)散關(guān)系示意圖。100 kN 的預(yù)緊力會(huì)使錨桿對(duì)圍巖形成最大0.1 MPa 的壓應(yīng)力，錨桿長(zhǎng)度的增加使得壓應(yīng)力也呈增加趨勢(shì)。錨桿預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散的位置主要在錨桿尾部的1 m 范圍內(nèi)，1 m 范圍以外的壓應(yīng)力范圍減小且呈減弱趨勢(shì)。壓應(yīng)力隨著錨桿長(zhǎng)度在適當(dāng)范圍內(nèi)的增長(zhǎng)而增加，但增加幅度較小，當(dāng)長(zhǎng)度超過(guò)一定范圍后，壓應(yīng)力有部分減弱現(xiàn)象。故錨桿長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)可適當(dāng)增加，但不宜超過(guò)。

圖1-2 為錨桿長(zhǎng)度為2.2 m 時(shí)，預(yù)緊力變化對(duì)壓應(yīng)力擴(kuò)散影響的關(guān)系示意圖。當(dāng)預(yù)緊力為30 kN 時(shí)，圍巖壓應(yīng)力為0.028 MPa，隨著預(yù)緊力的增加壓應(yīng)力也隨之增加。當(dāng)預(yù)緊力為150 kN 時(shí)，壓應(yīng)力達(dá)到0.14 MPa。運(yùn)用摩爾強(qiáng)度理論，可得圍巖抗壓強(qiáng)度預(yù)圍巖壓應(yīng)力關(guān)系式為：

圖1 長(zhǎng)度、預(yù)緊力與預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散關(guān)系示意圖

式中：σ1為圍巖抗壓強(qiáng)度，MPa；σ3為圍巖的壓應(yīng)力，MPa；φ 為內(nèi)摩擦角，（°）；c 為巖石內(nèi)聚力，kN。

2.2 錨桿群預(yù)應(yīng)力模擬分析

錨桿群預(yù)應(yīng)力的模擬分析主要需對(duì)不同預(yù)緊力與不同間排距兩種情況的數(shù)值模擬分析。預(yù)緊力設(shè)定為100 kN，長(zhǎng)度設(shè)定為2.2 m 時(shí)的不同間排距的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散圖，如圖2 所示。錨桿間有較大間排距時(shí)，錨桿壓應(yīng)力較為獨(dú)立，不存在有效的壓應(yīng)力區(qū)。隨著間排距的不斷減小，錨桿間逐漸形成重合區(qū)直到成為整體，形成有效圍巖，提高圍巖強(qiáng)度。頂錨桿與兩幫錨桿的布置大多為直墻拱形，故壓應(yīng)力圈也易形成直墻拱形，壓應(yīng)力圈由圍巖邊界向內(nèi)部不斷減小。圍巖與錨桿相互作用形成三向應(yīng)力，使得圍巖強(qiáng)度大幅增加，再加上錨桿本身具有抗剪切力的性能，使得錨固體內(nèi)部加固圈十分穩(wěn)定，對(duì)于上部以及周邊圍巖施加的載荷可以有效支撐，保持整體的穩(wěn)定性[8-10]。

圖2 不同間排距的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散圖

由于加固圈強(qiáng)度的大小是由圍壓決定的，而圍壓又由錨桿預(yù)緊力決定。故預(yù)緊力大小對(duì)穩(wěn)定性的分析至關(guān)重要。長(zhǎng)度為2.2 m，間排距為1 m 時(shí)不同預(yù)緊力的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散圖，如圖3 所示。當(dāng)預(yù)緊力較小時(shí)，對(duì)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化作用較小。隨著預(yù)緊力的不斷增加，壓應(yīng)力圈數(shù)值也不斷增大，當(dāng)壓應(yīng)力圈數(shù)值達(dá)到一定程度后，圍巖強(qiáng)度足以支撐上部以及周邊圍巖的切向與徑向載荷時(shí)，即可以形成加固拱，提升圍巖的穩(wěn)定性。

圖3 不同預(yù)緊力的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散圖

2.3 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)

通過(guò)對(duì)錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行模擬分析后發(fā)現(xiàn)，錨索支護(hù)的增加使得壓應(yīng)力圈數(shù)值與范圍得以大幅提高，普遍在0.25 MPa 以上，最高可達(dá)0.5 MPa，加固圈穩(wěn)定性大幅提升。

3 應(yīng)用分析

將上述方法應(yīng)用某煤礦的實(shí)際生產(chǎn)之中，通過(guò)FLAC 3D 模擬軟件可得錨桿預(yù)緊力需施加100 kN，錨索預(yù)緊力需施加200 kN，巷道內(nèi)錨桿安裝為每隔1 m安裝一排。按上述參數(shù)進(jìn)行大斷面煤巷錨桿支護(hù)后發(fā)現(xiàn)，圍巖變形得到有效控制，支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性得以提升，大斷面煤巷安全得以保障，符合大斷面煤巷錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)要求。

圖4 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)

4 結(jié)論

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展，巷道大斷面的形成越來(lái)越多。大斷面的松軟易碎使得巷道內(nèi)的作業(yè)安全受到巨大威脅。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文對(duì)大斷面煤巷錨桿支護(hù)進(jìn)行了研究分析，并得出了以下結(jié)論：

1）壓應(yīng)力隨著錨桿長(zhǎng)度與預(yù)緊力的增加而增加，但錨桿長(zhǎng)度影響較小，可忽略不計(jì)。由于間排距的縮小，錨桿間會(huì)逐漸形成重合區(qū)，直到成為整體，從而形成有效圍巖，提高圍巖強(qiáng)度。

2）錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)可使壓應(yīng)力圈數(shù)值與范圍大幅提高，是大斷面煤巷錨桿支護(hù)的有效方法。通過(guò)FLAC 3D 模擬軟件可得支護(hù)參數(shù)為：錨索預(yù)緊力200 kN，錨桿預(yù)緊力100 kN 以及巷道內(nèi)錨桿安裝為每隔1 m 安裝一排。

3）按上述方法進(jìn)行錨桿支護(hù)，大斷面煤巷圍巖變形較小，支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性，大斷面煤巷安全性得以有效提升。